Miten nykyaikainen valtatiede tutkii aivoja?

2024 Kirjoittaja: Seth Attwood | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-16 16:04

Ei niin kauan sitten, historiallisten standardien mukaan, aivoista puhuttiin "mustana laatikona", jonka sisällä olevat prosessit jäivät mysteeriksi. Viimeaikaiset tieteelliset saavutukset eivät enää salli meidän julistaa tätä niin kategorisesti. Aivotutkimuksen alalla on kuitenkin edelleen paljon enemmän kysymyksiä kuin yksiselitteisiä vastauksia.

Tässä järjestelmässä, jossa on kosmisia numeerisia parametreja ja joka on jatkuvassa liikkeessä, on äärimmäisen vaikea tunnistaa mekanismeja, jotka voisivat korreloida sen kanssa, mitä kutsumme muistiksi ja ajatteluksi. Joskus tätä varten sinun on tunkeuduttava suoraan aivoihin. Suorimmassa fyysisessä mielessä.

Mitä tahansa villieläinten puolustajat sanovatkin, kukaan ei ole vielä kieltänyt tutkijoita kokeilemasta apinoiden ja rottien aivoja. Kuitenkin, mitä tulee ihmisen aivoihin - eläviin aivoihin, tietysti - kokeet niillä ovat käytännössä mahdottomia oikeudellisista ja eettisistä syistä. "Harmaan aineen" sisään pääsee vain, kuten sanotaan, lääkeyhtiölle.

Johdot päässäni

Yksi tällainen aivotutkijoille tarjottu mahdollisuus oli tarve kirurgiseen hoitoon vaikeissa epilepsiatapauksissa, jotka eivät reagoi lääkehoitoon. Taudin syynä ovat ohimolohkon mediaanilohkon vahingoittuneet alueet. Juuri nämä alueet on poistettava neurokirurgian menetelmin, mutta ennen kaikkea ne on tunnistettava, jotta niin sanotusti ei "leikata ylimääräistä".

Amerikkalainen neurokirurgi Yitzhak Fried Kalifornian yliopistosta (Los Angeles) oli yksi ensimmäisistä, joka käytti 1970-luvulla tekniikkaa, jossa 1 mm:n elektrodit asetettiin suoraan aivokuoreen. Hermosolujen kokoon verrattuna elektrodeilla oli sykloopin mitat, mutta jopa tällainen karkea instrumentti riitti poistamaan keskimääräisen sähköisen signaalin useista hermosoluista (tuhansista miljoonaan).

Periaatteessa tämä riitti puhtaasti lääketieteellisten tavoitteiden saavuttamiseen, mutta jossain vaiheessa laitetta päätettiin parantaa. Tästä eteenpäin millimetrielektrodi sai pään kahdeksan ohuemman, halkaisijaltaan 50 μm:n elektrodin haarautumana.

Tämä mahdollisti mittausten tarkkuuden lisäämisen suhteellisen pienistä hermosoluryhmistä tulevan signaalin kiinnittymiseen asti. On myös kehitetty menetelmiä, joilla suodatetaan yhdestä aivojen hermosolusta lähetetty signaali "kollektiivisesta" melusta. Kaikki tämä ei tehty lääketieteellisiin tarkoituksiin, vaan puhtaasti tieteellisiin tarkoituksiin.

Mitä on aivojen plastisuus?

Aivojen plastisuus on ajatteluelimemme hämmästyttävä kyky mukautua muuttuviin olosuhteisiin. Jos opimme jonkin taidon ja harjoittelemme aivoja intensiivisesti, siitä taidosta vastaavalle aivojen alueelle ilmestyy paksuuntumista. Siellä sijaitsevat neuronit luovat lisäyhteyksiä ja vahvistavat äskettäin hankittuja taitoja. Jos aivojen elintärkeä osa vaurioituu, aivot joskus kehittävät uudelleen vahingoittumattomia keskuksia.

Nimetyt neuronit

Tutkimuskohteita olivat ihmiset, jotka odottivat epilepsian leikkausta: kun aivokuoreen upotetut elektrodit lukivat signaaleja neuroneista määrittääkseen tarkasti kirurgisen toimenpiteen alueen, matkan varrella tehtiin erittäin mielenkiintoisia kokeita. Ja tämä oli juuri silloin, kun popkulttuurin ikonit - Hollywood-tähdet, joiden kuvat on helppo tunnistaa suurimmalle osalle maailman väestöstä, toivat todellista hyötyä tieteelle.

Yitzhak Fridan työtoveri, lääkäri ja neurofysiologi Rodrigo Kian Quiroga näytti tutkittaville kannettavalla tietokoneellaan valikoiman tunnettuja visuaaleja, mukaan lukien suosittuja henkilöitä ja kuuluisia rakenteita, kuten Sydneyn oopperatalo.

Kun näitä kuvia näytettiin, aivoissa havaittiin yksittäisten hermosolujen sähköistä aktiivisuutta ja eri kuvat "käynnistivät" eri hermosoluja. Esimerkiksi "Jennifer Aniston-neuroni" asennettiin, joka "sampui" aina, kun tämän romanttisen näyttelijän muotokuva ilmestyi ruudulle. Mitä tahansa valokuvaa Aniston näytettiin kohteelle, hermosolu "hänen nimensä" ei epäonnistunut. Lisäksi se toimi myös, kun ruudulle ilmestyi kehyksiä kuuluisasta TV-sarjasta, jossa näyttelijä näytteli, vaikka hän itse ei ollut kehyksessä. Mutta nähdessään tyttöjä, jotka näyttivät vain Jenniferiltä, neuroni oli hiljaa.

Tutkittu hermosolu, kuten kävi ilmi, liittyi juuri tietyn näyttelijän kokonaiskuvaan, eikä ollenkaan hänen ulkonäön tai vaatteiden yksittäisiin elementteihin. Ja tämä löytö tarjosi ellei avaimen, niin vihjeen pitkän aikavälin muistin säilyttämisen mekanismeihin ymmärtämiseen ihmisaivoissa.

Ainoa asia, joka esti meitä etenemästä, olivat juuri edellä mainitut eettiset ja lailliset näkökohdat. Tiedemiehet eivät voineet sijoittaa elektrodeja millekään muulle aivojen alueelle, paitsi niille, joille tehtiin ennen leikkausta tehty tutkimus, ja itse tutkimuksella oli rajoitettu lääketieteellinen aikakehys.

Tämä teki erittäin vaikeaksi löytää vastausta kysymykseen, onko Jennifer Anistonin, Brad Pittin tai Eiffel-tornin neuroni todella olemassa, tai kenties mittausten seurauksena tiedemiehet törmäsivät vahingossa vain yhteen soluun koko verkosta. yhdistetty toisiinsa synaptisilla yhteyksillä, jotka ovat vastuussa tietyn kuvan säilyttämisestä tai tunnistamisesta.

Kuvien kanssa leikkimistä

Oli miten oli, kokeilut jatkuivat, ja Moran Cerf liittyi niihin - erittäin monipuolinen persoonallisuus. Syntymästään israelilainen hän kokeili itseään yrityskonsulttina, hakkerina ja samalla tietoturvaopettajana sekä taiteilijana ja sarjakuvakirjoittajana, kirjailijana ja muusikkona.

Juuri tämä mies, jolla oli renessanssin arvoinen kykyjen kirjo, ryhtyi luomaan eräänlaisen hermokonerajapinnan Jennifer Aniston -hermosolun ja vastaavien pohjalta. Tällä kertaa V. I.:n mukaan nimetyn lääkärikeskuksen 12 potilasta. Ronald Reagan Kalifornian yliopistosta. Preoperatiivisten tutkimusten aikana 64 erillistä elektrodia asetettiin ohimolohkon alueelle. Samalla alkoi kokeet.

Korkeamman hermoston toiminnan tieteiden kehitys lupaa uskomattomia näkymiä: ihmiset pystyvät ymmärtämään paremmin itseään ja selviytymään nyt parantumattomista vaivoista. Elävillä ihmisaivoilla tehtyjen kokeiden moraalinen ja oikeudellinen puoli on edelleen ongelma.

Ihmisille esitettiin ensin 110 kuvaa popkulttuurin teemoista. Tämän ensimmäisen kierroksen tuloksena valittiin neljä kuvaa, joita nähdessään aivokuoren tutkitun alueen eri osien hermosolujen viritys tallentui selvästi koko kymmenellä koehenkilöllä. Sitten kaksi kuvaa näytettiin samanaikaisesti näytöllä päällekkäin, ja kummankin läpinäkyvyys oli 50 %, eli kuvat loistivat toistensa läpi.

Kohdetta pyydettiin lisäämään henkisesti toisen kuvan kirkkautta, jotta hän peitti "kilpailijansa". Tässä tapauksessa kuvasta, johon potilaan huomio kohdistui, vastuussa oleva neuroni tuotti vahvemman sähköisen signaalin kuin toiseen kuvaan liittyvä neuroni. Pulssit kiinnitettiin elektrodeilla, syötettiin dekooderiin ja muutettiin signaaliksi, joka ohjaa kuvan kirkkautta (tai läpinäkyvyyttä).

Näin ollen ajatustyö riitti siihen, että yksi kuva alkoi "vasaroida" toista. Kun koehenkilöitä pyydettiin olemaan tehostamatta, vaan päinvastoin tekemään toinen kahdesta kuvasta vaaleammaksi, aivo-tietokone-linkki toimi jälleen.

Vaalea pää

Oliko tämä jännittävä peli sen arvoinen, että tehtiin kokeita elävillä ihmisillä, erityisesti niillä, joilla on vakavia terveysongelmia? Projektin tekijöiden mukaan se kannatti, koska tutkijat eivät vain tyydyttäneet perustavanlaatuisia tieteellisiä etujaan, vaan myös hapuivat lähestymistapoja varsin soveltuvien ongelmien ratkaisemiseen.

Jos aivoissa on hermosoluja (tai hermosolukimppuja), jotka innostuvat Jennifer Anistonin näkemästä, silloin täytyy olla aivosoluja, jotka ovat vastuussa elämälle välttämättömimmistä käsitteistä ja kuvista. Tapauksissa, joissa potilas ei pysty puhumaan tai ilmaisemaan ongelmiaan ja tarpeitaan eleillä, suora yhteys aivoihin auttaa lääkäreitä oppimaan potilaan tarpeista hermosolujen kautta. Lisäksi mitä enemmän yhdistyksiä perustetaan, sitä enemmän ihminen pystyy kommunikoimaan itsestään.

Kuitenkin aivoihin upotettu elektrodi, vaikka se olisi halkaisijaltaan 50 mikronia, on liian karkea työkalu kohdistaa tarkasti tiettyyn neuroniin. Hienovaraisempi vuorovaikutusmenetelmä on optogenetiikka, joka käsittää hermosolujen muuntamisen geneettisellä tasolla.

Ed Boydenia ja Karl Thessotia, jotka aloittivat työnsä Stanfordin yliopistossa, pidetään tämän suunnan pioneereina. Heidän ideansa oli vaikuttaa hermosoluihin käyttämällä miniatyyrivalolähteitä. Tätä varten solut on tietysti tehtävä valoherkäksi.

Koska valoherkkien proteiinien – opsiinien – siirtäminen yksittäisiin soluihin on lähes mahdotonta, tutkijat ehdottivat… hermosolujen infektoimista viruksella. Juuri tämä virus tuo geenin, joka syntetisoi valoherkän proteiinin solujen genomiin.

Tällä tekniikalla on useita käyttömahdollisuuksia. Yksi niistä on näön osittainen palauttaminen silmässä, jossa on vaurioitunut verkkokalvo, antamalla valoherkkiä ominaisuuksia jäljellä oleville ei-valoherkille soluille (eläinkokeita on onnistuttu). Vastaanottaessaan tulevan valon aiheuttamia sähköisiä signaaleja aivot oppivat pian työskentelemään niiden kanssa ja tulkitsemaan ne kuvana, vaikkakin huonolaatuisena.

Toinen sovellus työskentelee suoraan aivoissa olevien hermosolujen kanssa käyttämällä miniatyyrivaloohjaimia. Aktivoimalla erilaisia hermosoluja eläinten aivoissa valonsäteen avulla voidaan jäljittää, millaisia käyttäytymisreaktioita nämä neuronit aiheuttavat. Lisäksi "kevyillä" interventioilla aivoissa voi olla terapeuttista arvoa tulevaisuudessa.