Kaip šiuolaikinis mokslas tiria smegenis?

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

Ne taip seniai, remiantis istoriniais standartais, apie smegenis buvo kalbama kaip apie „juodąją dėžę“, kurios viduje vykstantys procesai liko paslaptimi. Naujausi mokslo pasiekimai nebeleidžia to teigti taip kategoriškai. Tačiau smegenų tyrimų srityje klausimų vis dar yra kur kas daugiau nei vienareikšmių atsakymų.

Šioje sistemoje, turinčioje kosminius skaitinius parametrus ir nuolat judančioje, nepaprastai sunku atpažinti mechanizmus, kurie galėtų būti koreliuojami su tuo, ką vadiname atmintimi ir mąstymu. Kartais tam reikia prasiskverbti tiesiai į smegenis. Pačia tiesiogine fizine prasme.

Kad ir ką sakytų laukinės gamtos gynėjai, niekas dar neuždraudė tyrinėtojams eksperimentuoti su beždžionių ir žiurkių smegenimis. Tačiau kalbant apie žmogaus smegenis – žinoma, gyvas smegenis – eksperimentai su jomis praktiškai neįmanomi dėl teisės ir etikos priežasčių. Į „pilkąją medžiagą“galite patekti tik, kaip sakoma, įmonei su vaistais.

Laidai mano galvoje

Viena iš tokių galimybių smegenų tyrinėtojams buvo chirurginio gydymo poreikis sunkiais epilepsijos atvejais, kurie nereaguoja į vaistų terapiją. Ligos priežastis – pažeistos vidurinės smilkininės skilties sritys. Būtent šias sritis reikia pašalinti neurochirurginiais metodais, bet pirmiausia jas reikia identifikuoti, kad, galima sakyti, „nenukirstų pertekliaus“.

Amerikiečių neurochirurgas Yitzhak Fried iš Kalifornijos universiteto (Los Andželas) dar aštuntajame dešimtmetyje vienas pirmųjų pritaikė 1 mm elektrodų įterpimo tiesiai į smegenų žievę technologiją. Palyginti su nervinių ląstelių dydžiu, elektrodai turėjo ciklopinius matmenis, tačiau net ir tokio neapdoroto instrumento pakako vidutiniam elektriniam signalui pašalinti iš daugelio neuronų (nuo tūkstančio iki milijono).

Iš esmės to pakako grynai medicininiams tikslams pasiekti, tačiau tam tikru etapu buvo nuspręsta instrumentą patobulinti. Nuo šiol milimetrinis elektrodas gavo galą aštuonių plonesnių, 50 μm skersmens elektrodų išsišakojimu.

Tai leido padidinti matavimų tikslumą iki signalo iš santykinai mažų neuronų grupių fiksavimo. Taip pat buvo sukurti metodai, leidžiantys iš „kolektyvinio“triukšmo išfiltruoti signalą, siunčiamą iš vienos nervų ląstelės smegenyse. Visa tai buvo daroma ne medicininiais, o grynai moksliniais tikslais.

Kas yra smegenų plastiškumas?

Smegenų plastiškumas yra nuostabus mūsų mąstymo organo gebėjimas prisitaikyti prie besikeičiančių aplinkybių. Jei išmokstame kokį nors įgūdį ir intensyviai treniruojame smegenis, už tą įgūdį atsakingoje smegenų srityje atsiranda sustorėjimas. Ten esantys neuronai sukuria papildomus ryšius, įtvirtindami naujai įgytus įgūdžius. Pažeidus gyvybiškai svarbią smegenų dalį, smegenys kartais vėl išvysto prarastus centrus nepažeistoje srityje.

Pavadinti neuronai

Tyrimo objektai buvo žmonės, laukiantys operacijos dėl epilepsijos: kol smegenų žievėje įtaisyti elektrodai skaitė signalus iš neuronų, kad tiksliai nustatytų chirurginės intervencijos sritį, pakeliui buvo atlikti labai įdomūs eksperimentai. Ir tai buvo pats atvejis, kai popkultūros ikonos – Holivudo žvaigždės, kurių atvaizdus nesunkiai atpažįsta dauguma pasaulio gyventojų, mokslui atnešė realią naudą.

Yitzhak Frida bendradarbis, gydytojas ir neurofiziologas Rodrigo Kian Quiroga savo nešiojamajame kompiuteryje rodė gerai žinomus vaizdus, įskaitant populiarias asmenybes ir garsias struktūras, tokias kaip Sidnėjaus operos teatras.

Kai buvo rodomos šios nuotraukos, smegenyse buvo stebimas atskirų neuronų elektrinis aktyvumas, o skirtingi vaizdai „įjungė“skirtingas nervines ląsteles. Pavyzdžiui, buvo įdiegtas „Jennifer Aniston neuronas“, kuris „iššovė“, kai ekrane pasirodydavo šios romantiškos aktorės portretas. Kad ir kokia nuotrauka Aniston buvo parodyta tiriamajam, neuronas „jos vardas“nepasigedo. Negana to, tai pasiteisino ir tada, kai ekrane pasirodė garsaus televizijos serialo kadrai, kuriuose aktorė vaidino, net jei ji pati nebuvo kadre. Tačiau matant merginas, kurios atrodė tik kaip Jennifer, neuronas nutilo.

Ištirta nervinė ląstelė, kaip paaiškėjo, buvo siejama būtent su holistiniu konkrečios aktorės įvaizdžiu, o ne su atskirais jos išvaizdos ar aprangos elementais. Ir šis atradimas suteikė jei ne raktą, tai užuominą suprasti ilgalaikės atminties išsaugojimo žmogaus smegenyse mechanizmus.

Vienintelis dalykas, kuris sutrukdė mums judėti į priekį, buvo patys etikos ir teisės svarstymai, kurie buvo paminėti aukščiau. Mokslininkai negalėjo įdėti elektrodų į jokias kitas smegenų sritis, išskyrus tas, kurios buvo tiriamos prieš operaciją, o pats tyrimas turėjo ribotą medicininį laikotarpį.

Dėl to buvo labai sunku rasti atsakymą į klausimą, ar Jennifer Aniston, ar Brado Pitto neuronas, ar Eifelio bokštas tikrai egzistuoja, o gal dėl matavimų mokslininkai netyčia užkliuvo tik vieną ląstelę iš viso tinklo. sujungti vienas su kitu sinapsiniais ryšiais, kurie yra atsakingi už tam tikro įvaizdžio išsaugojimą ar atpažinimą.

Žaidimas su paveikslėliais

Kad ir kaip būtų, eksperimentai tęsėsi, prie jų prisijungė Moranas Cerfas – nepaprastai įvairiapusė asmenybė. Gimęs izraelietis, jis išbandė save kaip verslo konsultantas, įsilaužėlis ir tuo pat metu kompiuterių saugos instruktorius, taip pat menininkas ir komiksų rašytojas, rašytojas ir muzikantas.

Būtent šis žmogus, turintis Renesanso vertų talentų spektrą, ėmėsi Jennifer Aniston neurono ir panašių dalykų pagrindu sukurti savotišką neuromašinos sąsają. Šį kartą V. I. vardo Medicinos centro 12 pacientų. Ronaldas Reiganas Kalifornijos universitete. Atliekant priešoperacinius tyrimus, 64 atskiri elektrodai buvo įterpti į vidurinės smilkininės skilties sritį. Lygiagrečiai prasidėjo eksperimentai.

Aukštesnės nervų veiklos mokslų plėtra žada neįtikėtinas perspektyvas: žmonės galės geriau suprasti save ir susidoroti su dabar nepagydomais negalavimais. Moralinė ir teisinė eksperimentų su gyvomis žmogaus smegenimis pusė išlieka problema.

Žmonėms pirmą kartą buvo parodyta 110 vaizdų popkultūros temomis. Po šio pirmojo turo buvo atrinktos keturios nuotraukos, kurias matant buvo aiškiai užfiksuotas neuronų sužadinimas įvairiose tiriamosios žievės srities dalyse visame dešimtyje tiriamųjų. Tada ekrane vienu metu buvo rodomi du vaizdai, uždėti vienas ant kito, ir kiekvienas turėjo 50% skaidrumo, tai yra, vaizdai šviečia vienas per kitą.

Tiriamo buvo paprašyta mintyse padidinti vieno iš dviejų vaizdų ryškumą, kad jis užtemdytų savo „varžovą“. Šiuo atveju neuronas, atsakingas už vaizdą, į kurį buvo sutelktas paciento dėmesys, generavo stipresnį elektrinį signalą nei neuronas, susijęs su antruoju vaizdu. Impulsai buvo fiksuojami elektrodais, patekę į dekoderį ir paverčiami signalu, kuris valdo vaizdo ryškumą (arba skaidrumą).

Taigi minties darbo užteko, kad vienas paveikslas imtų „kalti“kitą. Kai tiriamųjų buvo paprašyta ne intensyvinti, o, priešingai, vieną iš dviejų vaizdų padaryti blyškesnį, smegenų ir kompiuterio ryšys vėl suveikė.

Lengva galva

Ar šis įdomus žaidimas buvo vertas poreikio atlikti eksperimentus su gyvais žmonėmis, ypač turinčiais rimtų sveikatos problemų? Projekto autorių teigimu, tai buvo verta, nes mokslininkai ne tik tenkino savo fundamentalaus pobūdžio mokslinius interesus, bet ir čiupo gana taikomų problemų sprendimo būdus.

Jei smegenyse yra neuronų (arba neuronų pluoštų), kuriuos sujaudina Jennifer Aniston žvilgsnis, tada turi būti smegenų ląstelės, atsakingos už gyvybei svarbesnes koncepcijas ir vaizdus. Tais atvejais, kai pacientas negali kalbėti ar signalizuoti apie savo problemas ir poreikius gestais, tiesioginis ryšys su smegenimis padės gydytojams sužinoti apie paciento poreikius iš neuronų. Be to, kuo daugiau susikurs asociacijų, tuo daugiau žmogus galės bendrauti apie save.

Tačiau smegenyse įtaisytas elektrodas, net jei jo skersmuo yra 50 mikronų, yra per grubus įrankis, kad būtų galima tiksliai nukreipti į konkretų neuroną. Subtilesnis sąveikos metodas yra optogenetika, apimanti nervinių ląstelių transformaciją genetiniame lygmenyje.

Vienais šios krypties pradininkų laikomi Edas Boydenas ir Karlas Thessot, pradėję dirbti Stanfordo universitete. Jų idėja buvo veikti neuronus naudojant miniatiūrinius šviesos šaltinius. Tam, žinoma, ląstelės turi būti jautrios šviesai.

Kadangi fizinės manipuliacijos persodinant šviesai jautrius baltymus – opsinus – į atskiras ląsteles yra beveik neįmanomos, mokslininkai pasiūlė… užkrėsti neuronus virusu. Būtent šis virusas į ląstelių genomą įves geną, kuris sintetina šviesai jautrų baltymą.

Ši technologija turi keletą galimų naudojimo būdų. Vienas iš jų – dalinis regėjimo atkūrimas akyje su pažeista tinklaine, suteikiant šviesai jautrias savybes likusioms šviesai nejautrioms ląstelėms (yra sėkmingų eksperimentų su gyvūnais). Priimdamos elektros signalus, kuriuos sukelia krintanti šviesa, smegenys greitai išmoks su jais dirbti ir interpretuos kaip vaizdą, nors ir prastesnės kokybės.

Kita programa yra darbas su neuronais tiesiai smegenyse, naudojant miniatiūrinius šviesos kreipiklius. Šviesos pluošto pagalba aktyvuojant skirtingus gyvūnų smegenų neuronus, galima atsekti, kokias elgesio reakcijas sukelia šie neuronai. Be to, „lengva“intervencija į smegenis ateityje gali turėti gydomąją vertę.