Kako moderna glavna nauka istražuje mozak?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

Ne tako davno, prema istorijskim standardima, o mozgu se govorilo kao o "crnoj kutiji", procesi unutar koje su ostali misterija. Najnovija naučna dostignuća nam više ne dozvoljavaju da to tako kategorično izjavimo. Međutim, još uvijek postoji daleko više pitanja nego nedvosmislenih odgovora u području istraživanja mozga.

Izuzetno je teško u ovom sistemu, koji ima kosmičke numeričke parametre i koji je u stalnom kretanju, prepoznati mehanizme koji bi mogli biti u korelaciji sa onim što nazivamo pamćenjem i mišljenjem. Ponekad za ovo morate prodrijeti direktno u mozak. U najdirektnijem fizičkom smislu.

Šta god da kažu branitelji divljih životinja, još niko nije zabranio istraživačima da eksperimentišu na mozgovima majmuna i pacova. Međutim, kada je u pitanju ljudski mozak - živi mozak, naravno - eksperimenti na njemu su praktično nemogući iz zakonskih i etičkih razloga. U "sivu materiju" možete ući samo, kako kažu, za kompaniju sa lekovima.

Žice u mojoj glavi

Jedna takva prilika koja je predstavljena istraživačima mozga bila je potreba za kirurškim liječenjem teških slučajeva epilepsije koji ne reagiraju na terapiju lijekovima. Uzrok bolesti su zahvaćena područja srednjeg temporalnog režnja. Upravo ta područja potrebno je ukloniti neurohirurškim metodama, ali prije svega ih je potrebno identificirati kako, da tako kažem, ne bi “odsjekli višak”.

Američki neurohirurg Yitzhak Fried sa Univerziteta u Kaliforniji (Los Angeles) bio je jedan od prvih koji je još 1970-ih primijenio tehnologiju umetanja elektroda od 1 mm direktno u moždanu koru. U poređenju sa veličinom nervnih ćelija, elektrode su imale kiklopske dimenzije, ali je čak i ovako grub instrument bio dovoljan da ukloni prosečan električni signal sa većeg broja neurona (od hiljadu do milion).

U principu, to je bilo dovoljno za postizanje čisto medicinskih ciljeva, ali je u nekoj fazi odlučeno da se instrument poboljša. Od sada je milimetarska elektroda dobila kraj u obliku grananja od osam tanjih elektroda promjera 50 μm.

To je omogućilo povećanje tačnosti mjerenja do fiksiranja signala iz relativno malih grupa neurona. Razvijene su i metode za filtriranje signala poslanog iz jedne nervne ćelije u mozgu od "kolektivnog" šuma. Sve ovo nije urađeno u medicinske svrhe, već u čisto naučne svrhe.

Šta je plastičnost mozga?

Plastičnost mozga je nevjerovatna sposobnost našeg organa mišljenja da se prilagodi promjenjivim okolnostima. Ako naučimo vještinu i intenzivno treniramo mozak, pojavljuje se zadebljanje u području mozga odgovornom za tu vještinu. Neuroni koji se tamo nalaze stvaraju dodatne veze, konsolidujući novostečene vještine. U slučaju oštećenja vitalnog dijela mozga, mozak ponekad ponovo razvija izgubljene centre u netaknutom području.

Imenovani neuroni

Predmet istraživanja bili su ljudi koji čekaju operaciju epilepsije: dok su elektrode ugrađene u moždanu koru čitale signale s neurona kako bi se precizno odredilo područje hirurške intervencije, usput su izvedeni vrlo zanimljivi eksperimenti. A to je bio upravo slučaj kada su ikone pop kulture - holivudske zvijezde, čije slike lako prepoznaje većina svjetske populacije, donijele stvarnu korist nauci.

Saradnik Yitzhak Frida, ljekar i neurofiziolog Rodrigo Kian Quiroga, pokazao je ispitanicima na svom laptopu izbor dobro poznatih vizuelnih prikaza, uključujući popularne ličnosti i poznate strukture kao što je Sidnejska opera.

Kada su ove slike prikazane, u mozgu je uočena električna aktivnost pojedinih neurona, a različite slike su „upalile“različite nervne ćelije. Na primjer, instaliran je “neuron Dženifer Aniston” koji je “pucao” kad god bi se na ekranu pojavio portret ove romantične glumice. Koju god fotografiju Aniston pokazala subjektu, neuron "njeno ime" nije otkazao. Štaviše, funkcioniralo je i kada su se na ekranu pojavili kadrovi iz poznate TV serije, u kojima je glumica glumila, čak i ako ona sama nije bila u kadru. Ali pri pogledu na devojke koje su samo ličile na Dženifer, neuron je utihnuo.

Proučavana nervna ćelija, kako se ispostavilo, bila je povezana upravo sa holističkom slikom određene glumice, a ne uopće s pojedinačnim elementima njenog izgleda ili odjeće. I ovo otkriće pružilo je, ako ne ključ, onda ključ za razumijevanje mehanizama dugotrajnog pamćenja u ljudskom mozgu.

Jedina stvar koja nas je spriječila da krenemo naprijed bila su sama razmatranja etike i prava, koja smo već spomenuli. Naučnici nisu mogli postavljati elektrode u bilo koje drugo područje mozga, osim onih koje su bile podvrgnute preoperativnom istraživanju, a sama studija je imala ograničen medicinski vremenski okvir.

To je jako otežalo pronalaženje odgovora na pitanje da li neuron Jennifer Aniston, ili Brada Pitta, ili Ajfelov toranj zaista postoji, ili su možda kao rezultat mjerenja naučnici slučajno naletjeli na samo jednu ćeliju iz cijele mreže. međusobno povezani sinaptičkim vezama, što je odgovorno za očuvanje ili prepoznavanje određene slike.

Igranje sa slikama

Kako god bilo, eksperimenti su nastavljeni, a pridružio im se Moran Cerf - izuzetno svestrana ličnost. Izraelac po rođenju, okušao se kao poslovni konsultant, haker i istovremeno instruktor kompjuterske bezbednosti, kao i umetnik i pisac stripova, pisac i muzičar.

Upravo je ovaj čovjek sa spektrom talenata dostojnih renesanse poduzeo stvaranje svojevrsnog neuromašinskog interfejsa na osnovu neurona Jennifer Aniston i slično. Ovoga puta 12 pacijenata Doma zdravlja V. I. Ronald Reagan na Univerzitetu Kalifornije. U toku preoperativnih studija, 64 odvojene elektrode su ubačene u područje srednjeg temporalnog režnja. Paralelno s tim, počeli su eksperimenti.

Razvoj nauke o višoj nervnoj aktivnosti obećava nevjerovatne izglede: ljudi će moći bolje razumjeti sebe i nositi se sa sada neizlječivim bolestima. Moralna i pravna strana eksperimenata na živom ljudskom mozgu ostaje problem.

Ljudima je prvo prikazano 110 slika na teme pop kulture. Kao rezultat ovog prvog kruga, odabrane su četiri slike, na čijem je pogledu jasno zabilježena ekscitacija neurona u različitim dijelovima proučavanog područja korteksa kod čitavog desetak ispitanika. Zatim su se dvije slike istovremeno prikazivale na ekranu, postavljene jedna na drugu, i svaka je imala 50% transparentnosti, odnosno slike su sijale jedna kroz drugu.

Od subjekta je zatraženo da mentalno poveća svjetlinu jedne od dvije slike, tako da zakloni svog "suparnika". U ovom slučaju, neuron odgovoran za sliku na koju je bila usmjerena pažnja pacijenta proizvodi jači električni signal od neurona povezanog s drugom slikom. Impulsi su fiksirani elektrodama, ulazili u dekoder i pretvarali se u signal koji kontrolira svjetlinu (ili transparentnost) slike.

Dakle, rad misli bio je sasvim dovoljan da jedna slika počne da „zakucava” drugu. Kada je od ispitanika zatraženo da se ne intenziviraju, već, naprotiv, da jednu od dvije slike učine bljeđom, veza mozak-kompjuter je ponovo proradila.

Lagana glava

Je li ova uzbudljiva igra bila vrijedna potrebe za eksperimentiranjem na živim ljudima, posebno onima sa ozbiljnim zdravstvenim problemima? Prema riječima autora projekta, isplatilo se, jer istraživači ne samo da su zadovoljili svoje naučne interese fundamentalne prirode, već su napipali i pristupe rješavanju prilično primijenjenih problema.

Ako postoje neuroni (ili snopovi neurona) u mozgu koji su uzbuđeni pri pogledu na Jennifer Aniston, onda moraju postojati moždane ćelije koje su odgovorne za koncepte i slike koje su bitnije za život. U slučajevima kada pacijent ne može govoriti ili signalizirati svoje probleme i potrebe pokretima, direktna veza s mozgom pomoći će doktorima da saznaju o potrebama pacijenta iz neurona. Štaviše, što se više udruženja uspostavi, to će osoba moći više da komunicira o sebi.

Međutim, elektroda ugrađena u mozak, čak i ako je prečnika 50 mikrona, previše je grubo oruđe da bi precizno ciljalo određeni neuron. Suptilnija metoda interakcije je optogenetika, koja uključuje transformaciju nervnih ćelija na genetskom nivou.

Ed Boyden i Karl Thessot, koji su započeli svoj rad na Univerzitetu Stanford, smatraju se među pionirima ovog smjera. Njihova ideja je bila da djeluju na neurone koristeći minijaturne izvore svjetlosti. Za to se ćelije, naravno, moraju učiniti osjetljivim na svjetlost.

Budući da su fizičke manipulacije transplantacije proteina osjetljivih na svjetlost - opsina - u pojedinačne ćelije gotovo nemoguće, istraživači su predložili … inficiranje neurona virusom. Upravo će ovaj virus u genom ćelija unijeti gen koji sintetizira protein osjetljiv na svjetlost.

Ova tehnologija ima nekoliko potencijalnih upotreba. Jedna od njih je djelomična obnova vida u oku s oštećenom mrežnicom davanjem svojstva osjetljivosti na svjetlost preostalim neosjetljivim stanicama (postoje uspješni eksperimenti na životinjama). Primajući električne signale uzrokovane upadnom svjetlošću, mozak će uskoro naučiti raditi s njima i interpretirati ih kao sliku, iako lošije kvalitete.

Druga aplikacija radi sa neuronima direktno u mozgu koristeći minijaturne svjetlosne vodiče. Aktiviranjem različitih neurona u mozgu životinja uz pomoć snopa svjetlosti, moguće je pratiti kakve bihevioralne reakcije ti neuroni izazivaju. Osim toga, "lake" intervencije u mozgu mogu imati terapeutsku vrijednost u budućnosti.