Hvordan undersøger moderne almindelig videnskab hjernen?

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

For ikke så længe siden blev hjernen ifølge historiske standarder talt om som en "sort boks", hvori processerne forblev et mysterium. Nylige videnskabelige resultater tillader os ikke længere at erklære dette så kategorisk. Der er dog stadig langt flere spørgsmål end entydige svar inden for hjerneforskning.

Det er ekstremt svært at genkende i dette system, som har kosmiske numeriske parametre og er i konstant bevægelse, mekanismer, der kunne korreleres med det, vi kalder hukommelse og tænkning. Nogle gange for dette skal du trænge direkte ind i hjernen. I den mest direkte fysiske forstand.

Uanset hvad dyrelivets forsvarere siger, har ingen endnu forbudt forskere at eksperimentere med abers og rotters hjerner. Men når det kommer til den menneskelige hjerne - en levende hjerne, selvfølgelig - er eksperimenter med den praktisk talt umulige af lovmæssige og etiske grunde. Du kan kun komme ind i den "grå substans", som man siger, for virksomheden med medicin.

Ledninger i mit hoved

En sådan mulighed for hjerneforskere var behovet for kirurgisk behandling af alvorlige tilfælde af epilepsi, som ikke reagerer på medicinbehandling. Årsagen til sygdommen er de berørte områder af median temporallappen. Det er disse områder, der skal fjernes ved hjælp af neurokirurgiske metoder, men først og fremmest skal de identificeres, for så at sige ikke at "skære overskuddet af".

Den amerikanske neurokirurg Yitzhak Fried fra University of California (Los Angeles) var en af de første til at anvende teknologien til at indsætte 1 mm elektroder direkte i hjernebarken tilbage i 1970'erne. Sammenlignet med størrelsen af nerveceller havde elektroderne cyklopiske dimensioner, men selv et sådant råt instrument var nok til at fjerne det gennemsnitlige elektriske signal fra et antal neuroner (fra tusind til en million).

I princippet var dette nok til at nå rent medicinske mål, men på et tidspunkt blev det besluttet at forbedre instrumentet. Fra nu af fik millimeterelektroden en ende i form af en forgrening af otte tyndere elektroder med en diameter på 50 μm.

Dette gjorde det muligt at øge nøjagtigheden af målingerne op til fikseringen af signalet fra relativt små grupper af neuroner. Der er også udviklet metoder til at filtrere signalet fra en enkelt nervecelle i hjernen fra den "kollektive" støj. Alt dette blev ikke gjort til medicinske formål, men af rent videnskabelige formål.

Hvad er hjernens plasticitet?

Hjernens plasticitet er vores tankeorgans fantastiske evne til at tilpasse sig skiftende omstændigheder. Hvis vi lærer en færdighed og træner hjernen intensivt, opstår der en fortykkelse i det område af hjernen, der er ansvarlig for den færdighed. Neuronerne placeret der skaber yderligere forbindelser, der konsoliderer de nyerhvervede færdigheder. I tilfælde af skade på en vital del af hjernen genudvikler hjernen nogle gange de tabte centre i det intakte område.

Navngivne neuroner

Forskningsobjekterne var mennesker, der afventede operation for epilepsi: Mens elektroder indlejret i hjernebarken læste signaler fra neuroner for nøjagtigt at bestemme området for kirurgisk indgreb, blev der udført meget interessante eksperimenter undervejs. Og dette var netop tilfældet, da popkulturens ikoner - Hollywood-stjerner, hvis billeder er let genkendelige af størstedelen af verdens befolkning, bragte reelle fordele til videnskaben.

Yitzhak Fridas kollega, læge og neurofysiolog Rodrigo Kian Quiroga, viste forsøgspersoner på sin bærbare computer et udvalg af velkendte billeder, herunder populære personligheder og berømte strukturer som Sydney Opera House.

Når disse billeder blev vist, blev den elektriske aktivitet af individuelle neuroner observeret i hjernen, og forskellige billeder "tændte" forskellige nerveceller. For eksempel blev en "Jennifer Aniston-neuron" installeret, som "affyrede", hver gang et portræt af denne romantiske skuespillerinde dukkede op på skærmen. Uanset hvilket billede Aniston blev vist til motivet, fejlede neuronen "hendes navn" ikke. Desuden virkede det også, når der dukkede rammer fra den berømte tv-serie op på skærmen, som skuespillerinden medvirkede i, selvom hun ikke selv var med i billedet. Men ved synet af piger, der kun lignede Jennifer, var neuronen tavs.

Den undersøgte nervecelle, som det viste sig, var forbundet netop med det holistiske billede af en bestemt skuespillerinde og slet ikke med individuelle elementer i hendes udseende eller tøj. Og denne opdagelse gav, om ikke en nøgle, så et fingerpeg om at forstå mekanismerne for langtidshukommelsesbevarelse i den menneskelige hjerne.

Det eneste, der forhindrede os i at komme videre, var selve hensynet til etik og jura, som blev nævnt ovenfor. Forskere kunne ikke placere elektroder i andre områder af hjernen, undtagen dem, der blev udsat for præoperativ forskning, og selve undersøgelsen havde en begrænset medicinsk tidsramme.

Dette gjorde det meget vanskeligt at finde et svar på spørgsmålet om, hvorvidt neuronen af Jennifer Aniston, eller Brad Pitt eller Eiffeltårnet virkelig eksisterer, eller måske, som et resultat af målinger, videnskabsmænd ved et uheld faldt over kun én celle fra et helt netværk forbundet med hinanden af synaptiske forbindelser, som er ansvarlige for at bevare eller genkende et bestemt billede.

Leger med billeder

Hvorom alting er, så fortsatte eksperimenterne, og Moran Cerf sluttede sig til dem - en ekstremt alsidig personlighed. Israelsk af fødsel forsøgte han sig som virksomhedskonsulent, hacker og samtidig computersikkerhedsinstruktør, samt kunstner og tegneserieforfatter, forfatter og musiker.

Det var denne mand med et spektrum af talenter, der var værdig til renæssancen, som påtog sig at skabe en slags neuromaskine-grænseflade på basis af Jennifer Aniston-neuronen og lignende. Denne gang blev 12 patienter på Lægehuset opkaldt efter V. I. Ronald Reagan ved University of California. I løbet af præoperative undersøgelser blev 64 separate elektroder indsat i regionen af median temporallappen. Sideløbende begyndte eksperimenter.

Udviklingen af videnskaberne om højere nervøs aktivitet lover utrolige udsigter: folk vil være i stand til bedre at forstå sig selv og klare nu uhelbredelige lidelser. Den moralske og juridiske side af eksperimenter på en levende menneskelig hjerne er fortsat et problem.

Folket fik først vist 110 billeder af popkultur-temaer. Som et resultat af denne første runde blev fire billeder udvalgt, ved synet af hvilke excitationen af neuroner i forskellige dele af det undersøgte område af cortex blev tydeligt registreret i hele dusin forsøgspersoner. Derefter blev to billeder vist samtidigt på skærmen, overlejret på hinanden, og hver havde 50 % gennemsigtighed, det vil sige, at billederne skinnede igennem hinanden.

Motivet blev bedt om mentalt at øge lysstyrken på et af de to billeder, så han slørede sin "rival". I dette tilfælde producerede den neuron, der var ansvarlig for billedet, som patientens opmærksomhed var fokuseret på, et stærkere elektrisk signal end neuronen forbundet med det andet billede. Impulserne blev fikseret af elektroder, gik ind i dekoderen og blev til et signal, der styrer lysstyrken (eller gennemsigtigheden) af billedet.

Tankearbejdet var således ganske nok til, at det ene billede begyndte at "hamre" det andet. Da forsøgspersonerne blev bedt om ikke at intensivere, men tværtimod at gøre et af de to billeder blegere, virkede hjerne-computer-forbindelsen igen.

Let hoved

Var dette spændende spil værd at udføre eksperimenter på levende mennesker, især dem med alvorlige helbredsproblemer? Ifølge projektets forfattere var det det værd, fordi forskerne ikke kun tilfredsstillede deres videnskabelige interesser af grundlæggende karakter, men også famlede efter tilgange til at løse ganske anvendte problemer.

Hvis der er neuroner (eller bundter af neuroner) i hjernen, der er begejstrede ved synet af Jennifer Aniston, så må der være hjerneceller, der er ansvarlige for begreber og billeder, der er mere essentielle for livet. I tilfælde, hvor patienten ikke er i stand til at tale eller signalere sine problemer og behov med gestus, vil direkte forbindelse til hjernen hjælpe lægerne med at lære om patientens behov fra neuroner. Desuden, jo flere foreninger der etableres, jo mere vil en person være i stand til at kommunikere om sig selv.

Imidlertid er en elektrode indlejret i hjernen, selvom den er 50 mikrometer i diameter, et for råt værktøj til nøjagtigt at målrette et specifikt neuron. En mere subtil metode til interaktion er optogenetik, som involverer transformation af nerveceller på genetisk niveau.

Ed Boyden og Karl Thessot, som begyndte deres arbejde ved Stanford University, anses for at være blandt pionererne i denne retning. Deres idé var at handle på neuroner ved hjælp af miniature lyskilder. Til dette skal cellerne naturligvis gøres lysfølsomme.

Da de fysiske manipulationer med at transplantere lysfølsomme proteiner - opsiner - ind i individuelle celler er næsten umulige, foreslog forskerne … at inficere neuroner med en virus. Det er denne virus, der vil introducere et gen, der syntetiserer et lysfølsomt protein i cellernes genom.

Denne teknologi har flere potentielle anvendelser. En af dem er en delvis genoprettelse af synet i et øje med en beskadiget nethinde ved at bibringe lysfølsomme egenskaber til de resterende ikke-lysfølsomme celler (der er vellykkede forsøg på dyr). Ved at modtage elektriske signaler forårsaget af det indfaldende lys vil hjernen snart lære at arbejde med dem og fortolke dem som et billede, omend af ringere kvalitet.

En anden applikation er at arbejde med neuroner direkte i hjernen ved hjælp af miniature lysguider. Ved at aktivere forskellige neuroner i dyrenes hjerne ved hjælp af en lysstråle er det muligt at spore, hvilke adfærdsreaktioner disse neuroner forårsager. Derudover kan "let" indgreb i hjernen have terapeutisk værdi i fremtiden.