Cum investighează știința modernă creierul?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

Nu cu mult timp în urmă, conform standardelor istorice, despre creier se vorbea despre o „cutie neagră”, procesele în interiorul căreia au rămas un mister. Realizările științifice recente nu ne mai permit să declarăm acest lucru atât de categoric. Cu toate acestea, există încă mult mai multe întrebări decât răspunsuri fără ambiguitate în domeniul cercetării creierului.

Este extrem de greu de recunoscut în acest sistem, care are parametri numerici cosmici și este în continuă mișcare, mecanisme care ar putea fi corelate cu ceea ce numim memorie și gândire. Uneori pentru asta trebuie să pătrunzi direct în creier. În sensul fizic cel mai direct.

Orice spun apărătorii vieții sălbatice, nimeni nu le-a interzis încă cercetătorilor să experimenteze pe creierul maimuțelor și șobolanilor. Cu toate acestea, când vine vorba de creierul uman - un creier viu, desigur - experimentele pe acesta sunt practic imposibile din motive de drept și etică. Poți intra în „materia cenușie” doar, după cum se spune, pentru compania cu medicamente.

Fire în capul meu

O astfel de oportunitate prezentată cercetătorilor din creier a fost necesitatea tratamentului chirurgical al cazurilor severe de epilepsie care nu răspund la terapia medicamentoasă. Cauza bolii sunt zonele afectate ale lobului temporal median. Aceste zone trebuie îndepărtate folosind metode de neurochirurgie, dar în primul rând trebuie identificate astfel încât, ca să spunem așa, să nu „taie excesul”.

Neurochirurgul american Yitzhak Fried de la Universitatea din California (Los Angeles) a fost unul dintre primii care a aplicat tehnologia de a introduce electrozi de 1 mm direct în cortexul cerebral încă din anii 1970. În comparație cu dimensiunea celulelor nervoase, electrozii aveau dimensiuni ciclopice, dar chiar și un astfel de instrument brut era suficient pentru a elimina semnalul electric mediu de la un număr de neuroni (de la o mie la un milion).

În principiu, acest lucru a fost suficient pentru a atinge obiective pur medicale, dar la un moment dat s-a decis îmbunătățirea instrumentului. De acum înainte, electrodul milimetric a primit un capăt sub forma unei ramificații de opt electrozi mai subțiri cu un diametru de 50 μm.

Acest lucru a făcut posibilă creșterea preciziei măsurătorilor până la fixarea semnalului de la grupuri relativ mici de neuroni. De asemenea, au fost dezvoltate metode pentru a filtra semnalul trimis de la o singură celulă nervoasă din creier din zgomotul „colectiv”. Toate acestea nu au fost făcute în scopuri medicale, ci în scopuri pur științifice.

Ce este plasticitatea creierului?

Plasticitatea creierului este capacitatea uimitoare a organului nostru de gândire de a se adapta circumstanțelor în schimbare. Dacă învățăm o abilitate și antrenăm creierul intens, apare o îngroșare în zona creierului responsabilă pentru acea abilitate. Neuronii aflați acolo creează conexiuni suplimentare, consolidând abilitățile nou dobândite. În cazul unei leziuni a unei părți vitale a creierului, creierul redezvoltă uneori centrii pierduți din zona intactă.

Neuroni numiți

Obiectele cercetării au fost persoane care așteptau o intervenție chirurgicală pentru epilepsie: în timp ce electrozii încorporați în cortexul cerebral citeau semnale de la neuroni pentru a determina cu exactitate zona de intervenție chirurgicală, pe parcurs au fost efectuate experimente foarte interesante. Și chiar acesta a fost cazul când icoanele culturii pop - vedetele de la Hollywood, ale căror imagini sunt ușor de recunoscut de majoritatea populației lumii, au adus beneficii reale științei.

Colega lui Yitzhak Frida, medic și neurofiziolog Rodrigo Kian Quiroga, le-a arătat subiecților pe laptopul său o selecție de elemente vizuale binecunoscute, inclusiv personalități populare și structuri celebre precum Opera din Sydney.

Atunci când aceste imagini au fost prezentate, activitatea electrică a neuronilor individuali a fost observată în creier și diferite imagini au „activat” diferite celule nervoase. De exemplu, a fost instalat un „neuron Jennifer Aniston”, care „declanșa” de fiecare dată când pe ecran apărea un portret al acestei actrițe romantice. Indiferent de fotografia pe care Aniston i-a fost arătată subiectului, neuronul „numele ei” nu a eșuat. Mai mult, a funcționat și atunci când pe ecran au apărut cadre din celebrul serial TV, în care a jucat actrița, chiar dacă ea însăși nu era în cadru. Dar la vederea fetelor care semănau doar cu Jennifer, neuronul a tăcut.

Celula nervoasă studiată, după cum sa dovedit, a fost asociată tocmai cu imaginea holistică a unei anumite actrițe și deloc cu elementele individuale ale aspectului sau îmbrăcămintei ei. Și această descoperire a oferit, dacă nu o cheie, atunci un indiciu pentru înțelegerea mecanismelor de reținere a memoriei pe termen lung în creierul uman.

Singurul lucru care ne-a împiedicat să mergem înainte au fost însăși considerentele de etică și drept, care au fost menționate mai sus. Oamenii de știință nu au putut plasa electrozi în alte zone ale creierului, cu excepția celor care au fost supuse cercetării preoperatorii, iar studiul în sine a avut un interval de timp medical limitat.

Acest lucru a făcut foarte dificil să găsești un răspuns la întrebarea dacă neuronul lui Jennifer Aniston, sau Brad Pitt sau Turnul Eiffel există cu adevărat, sau poate ca urmare a măsurătorilor, oamenii de știință s-au împiedicat accidental de o singură celulă dintr-o întreagă rețea. conectate între ele prin conexiuni sinaptice, care este responsabilă pentru păstrarea sau recunoașterea unei anumite imagini.

Joacă-te cu imaginile

Oricum ar fi, experimentele au continuat, iar Moran Cerf li s-a alăturat – o personalitate extrem de versatilă. Israelian de naștere, s-a încercat ca consultant de afaceri, hacker și, în același timp, instructor de securitate informatică, precum și artist și scriitor de benzi desenate, scriitor și muzician.

Acest om cu un spectru de talente demne de Renaștere a fost cel care s-a angajat să creeze un fel de interfață neuromașină pe baza neuronului Jennifer Aniston și altele asemenea. De această dată, 12 pacienţi ai Centrului Medical care poartă numele V. I. Ronald Reagan de la Universitatea din California. În cursul studiilor preoperatorii, 64 de electrozi separați au fost introduși în regiunea lobului temporal median. În paralel, au început experimentele.

Dezvoltarea științelor activității nervoase superioare promite perspective incredibile: oamenii vor putea să se înțeleagă mai bine și să facă față bolilor acum incurabile. Latura morală și legală a experimentelor pe un creier uman viu rămâne o problemă.

Oamenilor li s-au arătat mai întâi 110 imagini cu teme ale culturii pop. În urma acestei prime runde, au fost selectate patru imagini, la vederea cărora excitația neuronilor în diferite părți ale zonei studiate a cortexului a fost înregistrată în mod clar la întreaga duzină de subiecți. Apoi, două imagini erau afișate simultan pe ecran, suprapuse una peste alta și fiecare avea o transparență de 50%, adică imaginile străluceau una prin alta.

Subiectului i s-a cerut să mărească mental luminozitatea uneia dintre cele două imagini, astfel încât să-și ascundă „rivalul”. În acest caz, neuronul responsabil de imaginea asupra căreia s-a concentrat atenția pacientului a produs un semnal electric mai puternic decât neuronul asociat cu cea de-a doua imagine. Impulsurile au fost fixate de electrozi, au intrat în decodor și au fost transformate într-un semnal care controlează luminozitatea (sau transparența) imaginii.

Astfel, munca de gândire a fost suficientă pentru ca o imagine să înceapă să o „ciocănească” pe cealaltă. Când subiecților li s-a cerut să nu intensifice, ci, dimpotrivă, să facă una dintre cele două imagini mai palide, legătura creier-calculator a funcționat din nou.

Cap ușor

A meritat acest joc captivant nevoia de a efectua experimente pe oameni vii, în special pe cei cu probleme grave de sănătate? Potrivit autorilor proiectului, a meritat, deoarece cercetătorii nu numai că și-au satisfăcut interesele științifice de natură fundamentală, ci și-au bâjbâit abordări pentru rezolvarea unor probleme destul de aplicate.

Dacă există neuroni (sau mănunchiuri de neuroni) în creier care sunt excitați la vederea lui Jennifer Aniston, atunci trebuie să existe celule cerebrale care sunt responsabile pentru concepte și imagini care sunt mai esențiale pentru viață. În cazurile în care pacientul nu poate să vorbească sau să-și semnaleze problemele și nevoile prin gesturi, legătura directă cu creierul îi va ajuta pe medici să învețe despre nevoile pacientului de la neuroni. Mai mult, cu cât se înființează mai multe asociații, cu atât o persoană va putea comunica mai mult despre sine.

Cu toate acestea, un electrod încorporat în creier, chiar dacă are 50 de microni în diametru, este un instrument prea brut pentru a viza cu exactitate un anumit neuron. O metodă mai subtilă de interacțiune este optogenetica, care presupune transformarea celulelor nervoase la nivel genetic.

Ed Boyden și Karl Thessot, care și-au început munca la Universitatea Stanford, sunt considerați printre pionierii acestei direcții. Ideea lor a fost să acționeze asupra neuronilor folosind surse de lumină în miniatură. Pentru aceasta, celulele, desigur, trebuie făcute sensibile la lumină.

Deoarece manipulările fizice de transplant de proteine sensibile la lumină - opsine - în celule individuale sunt aproape imposibile, cercetătorii au sugerat… infectarea neuronilor cu un virus. Acest virus este cel care va introduce o genă care sintetizează o proteină sensibilă la lumină în genomul celulelor.

Această tehnologie are mai multe utilizări potențiale. Una dintre ele este o restabilire parțială a vederii la un ochi cu o retină deteriorată prin conferirea de proprietăți sensibile la lumină celulelor rămase nesensibile la lumină (există experimente de succes pe animale). Primind semnale electrice cauzate de lumina incidentă, creierul va învăța în curând să lucreze cu ele și să le interpreteze ca pe o imagine, deși de calitate inferioară.

O altă aplicație este lucrul cu neuronii direct în creier folosind ghiduri de lumină în miniatură. Prin activarea diferiților neuroni din creierul animalelor cu ajutorul unui fascicul de lumină, este posibil să urmărim ce răspunsuri comportamentale provoacă acești neuroni. În plus, intervenția „ușoară” în creier poate avea valoare terapeutică în viitor.