Πώς η σύγχρονη επιστήμη ερευνά τον εγκέφαλο;

2024 Συγγραφέας: Seth Attwood | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-16 16:02

Όχι πολύ καιρό πριν, σύμφωνα με τα ιστορικά πρότυπα, ο εγκέφαλος ονομαζόταν ένα «μαύρο κουτί», οι διαδικασίες μέσα στο οποίο παρέμεναν μυστήριο. Τα πρόσφατα επιστημονικά επιτεύγματα δεν μας επιτρέπουν πλέον να το δηλώνουμε τόσο κατηγορηματικά. Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν πολύ περισσότερα ερωτήματα παρά σαφείς απαντήσεις στον τομέα της έρευνας του εγκεφάλου.

Είναι εξαιρετικά δύσκολο να αναγνωρίσουμε σε αυτό το σύστημα, που έχει κοσμικές αριθμητικές παραμέτρους και βρίσκεται σε συνεχή κίνηση, μηχανισμούς που θα μπορούσαν να συσχετιστούν με αυτό που ονομάζουμε μνήμη και σκέψη. Μερικές φορές για αυτό πρέπει να διεισδύσετε απευθείας στον εγκέφαλο. Με την πιο άμεση φυσική έννοια.

Ό,τι κι αν λένε οι υπερασπιστές της άγριας ζωής, κανείς δεν έχει απαγορεύσει ακόμη στους ερευνητές να πειραματιστούν σε εγκεφάλους πιθήκων και αρουραίων. Ωστόσο, όταν πρόκειται για τον ανθρώπινο εγκέφαλο - έναν ζωντανό εγκέφαλο, φυσικά - τα πειράματα σε αυτόν είναι πρακτικά αδύνατα για λόγους νόμου και ηθικής. Μπορείτε να μπείτε μέσα στη «φαιά ουσία» μόνο, όπως λένε, για την παρέα με το φάρμακο.

Σύρματα στο κεφάλι μου

Μια τέτοια ευκαιρία που παρουσιάστηκε στους ερευνητές του εγκεφάλου ήταν η ανάγκη για χειρουργική θεραπεία σοβαρών περιπτώσεων επιληψίας που δεν ανταποκρίνονται στη φαρμακευτική θεραπεία. Η αιτία της νόσου είναι οι πληγείσες περιοχές του μέσου κροταφικού λοβού. Είναι αυτές οι περιοχές που πρέπει να αφαιρεθούν με μεθόδους νευροχειρουργικής, αλλά πρώτα απ 'όλα πρέπει να εντοπιστούν ώστε, ας πούμε, να μην «κοπεί η περίσσεια».

Ο Αμερικανός νευροχειρουργός Yitzhak Fried από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια (Λος Άντζελες) ήταν ένας από τους πρώτους που εφάρμοσε την τεχνολογία της εισαγωγής ηλεκτροδίων 1 mm απευθείας στον εγκεφαλικό φλοιό στη δεκαετία του 1970. Σε σύγκριση με το μέγεθος των νευρικών κυττάρων, τα ηλεκτρόδια είχαν κυκλώπειες διαστάσεις, αλλά ακόμη και ένα τέτοιο ακατέργαστο όργανο ήταν αρκετό για να αφαιρέσει το μέσο ηλεκτρικό σήμα από έναν αριθμό νευρώνων (από χίλια έως ένα εκατομμύριο).

Κατ 'αρχήν, αυτό ήταν αρκετό για την επίτευξη καθαρά ιατρικών στόχων, αλλά σε κάποιο στάδιο αποφασίστηκε να βελτιωθεί το όργανο. Στο εξής, το ηλεκτρόδιο του χιλιοστού έλαβε ένα άκρο με τη μορφή διακλάδωσης οκτώ λεπτότερων ηλεκτροδίων με διάμετρο 50 μm.

Αυτό κατέστησε δυνατή την αύξηση της ακρίβειας των μετρήσεων μέχρι τη σταθεροποίηση του σήματος από σχετικά μικρές ομάδες νευρώνων. Έχουν επίσης αναπτυχθεί μέθοδοι για το φιλτράρισμα του σήματος που αποστέλλεται από ένα μόνο νευρικό κύτταρο στον εγκέφαλο από τον «συλλογικό» θόρυβο. Όλα αυτά δεν έγιναν για ιατρικούς σκοπούς, αλλά για καθαρά επιστημονικούς σκοπούς.

Τι είναι η πλαστικότητα του εγκεφάλου;

Η πλαστικότητα του εγκεφάλου είναι η εκπληκτική ικανότητα του οργάνου σκέψης μας να προσαρμόζεται στις μεταβαλλόμενες συνθήκες. Εάν μάθουμε μια δεξιότητα και εκπαιδεύσουμε τον εγκέφαλο εντατικά, εμφανίζεται μια πάχυνση στην περιοχή του εγκεφάλου που είναι υπεύθυνη για αυτήν την ικανότητα. Οι νευρώνες που βρίσκονται εκεί δημιουργούν πρόσθετες συνδέσεις, ενοποιώντας τις νεοαποκτηθείσες δεξιότητες. Σε περίπτωση βλάβης σε ένα ζωτικό μέρος του εγκεφάλου, ο εγκέφαλος μερικές φορές αναπτύσσει εκ νέου τα χαμένα κέντρα στην άθικτη περιοχή.

Ονομασμένοι νευρώνες

Τα αντικείμενα της έρευνας ήταν άνθρωποι που περίμεναν χειρουργείο για επιληψία: ενώ τα ηλεκτρόδια που ήταν ενσωματωμένα στον εγκεφαλικό φλοιό διάβαζαν σήματα από νευρώνες για να προσδιορίσουν με ακρίβεια την περιοχή της χειρουργικής επέμβασης, στην πορεία πραγματοποιήθηκαν πολύ ενδιαφέροντα πειράματα. Και αυτό ακριβώς συνέβη όταν τα εικονίδια της ποπ κουλτούρας - αστέρια του Χόλιγουντ, των οποίων οι εικόνες είναι εύκολα αναγνωρίσιμες από την πλειοψηφία του παγκόσμιου πληθυσμού, έφεραν πραγματικά οφέλη στην επιστήμη.

Ο συνεργάτης του Yitzhak Frida, ο γιατρός και νευροφυσιολόγος Rodrigo Kian Quiroga, έδειξε στα θέματα στο φορητό υπολογιστή του μια επιλογή από γνωστά οπτικά στοιχεία, συμπεριλαμβανομένων δημοφιλών προσωπικοτήτων και διάσημων δομών όπως η Όπερα του Σίδνεϊ.

Όταν εμφανίστηκαν αυτές οι εικόνες, παρατηρήθηκε η ηλεκτρική δραστηριότητα μεμονωμένων νευρώνων στον εγκέφαλο και διαφορετικές εικόνες «ενεργοποίησαν» διαφορετικά νευρικά κύτταρα. Για παράδειγμα, εγκαταστάθηκε ένας «νευρώνας Τζένιφερ Άνιστον», ο οποίος «πυροδοτούσε» κάθε φορά που εμφανιζόταν στην οθόνη ένα πορτρέτο αυτής της ρομαντικής ηθοποιού. Όποια φωτογραφία κι αν έδειχνε η Aniston στο θέμα, ο νευρώνας «το όνομά της» δεν απέτυχε. Επιπλέον, λειτούργησε και όταν εμφανίστηκαν στην οθόνη καρέ από τη διάσημη τηλεοπτική σειρά, στην οποία πρωταγωνιστούσε η ηθοποιός, ακόμα κι αν η ίδια δεν ήταν στο κάδρο. Αλλά στη θέα των κοριτσιών που έμοιαζαν μόνο με την Τζένιφερ, ο νευρώνας έμεινε σιωπηλός.

Το νευρικό κύτταρο που μελετήθηκε, όπως αποδείχθηκε, συνδέθηκε ακριβώς με την ολιστική εικόνα μιας συγκεκριμένης ηθοποιού και καθόλου με μεμονωμένα στοιχεία της εμφάνισης ή της ένδυσής της. Και αυτή η ανακάλυψη παρείχε, αν όχι ένα κλειδί, τότε μια ένδειξη για την κατανόηση των μηχανισμών της μακροπρόθεσμης διατήρησης της μνήμης στον ανθρώπινο εγκέφαλο.

Το μόνο πράγμα που μας εμπόδισε να προχωρήσουμε ήταν οι ίδιες οι σκέψεις της ηθικής και του δικαίου, που αναφέρθηκαν παραπάνω. Οι επιστήμονες δεν μπορούσαν να τοποθετήσουν ηλεκτρόδια σε άλλες περιοχές του εγκεφάλου, εκτός από αυτές που υποβλήθηκαν σε προεγχειρητική έρευνα, και η ίδια η μελέτη είχε περιορισμένο ιατρικό χρονικό πλαίσιο.

Αυτό κατέστησε πολύ δύσκολο να βρεθεί μια απάντηση στο ερώτημα εάν ο νευρώνας της Jennifer Aniston, ή του Brad Pitt, ή ο Πύργος του Άιφελ υπάρχει πραγματικά ή ίσως ως αποτέλεσμα μετρήσεων, οι επιστήμονες έπεσαν κατά λάθος πάνω σε ένα μόνο κύτταρο από ένα ολόκληρο δίκτυο συνδέονται μεταξύ τους με συναπτικές συνδέσεις, οι οποίες είναι υπεύθυνες για τη διατήρηση ή την αναγνώριση μιας συγκεκριμένης εικόνας.

Παίζοντας με εικόνες

Όπως και να έχει, τα πειράματα συνεχίστηκαν και ο Moran Cerf προσχώρησε σε αυτά - μια εξαιρετικά ευέλικτη προσωπικότητα. Ισραηλινός στην καταγωγή, δοκίμασε τον εαυτό του ως σύμβουλος επιχειρήσεων, χάκερ και ταυτόχρονα εκπαιδευτής ασφάλειας υπολογιστών, καθώς και ως καλλιτέχνης και συγγραφέας κόμικς, συγγραφέας και μουσικός.

Ήταν αυτός ο άνθρωπος με ένα φάσμα ταλέντων αντάξιων της Αναγέννησης που ανέλαβε να δημιουργήσει ένα είδος διεπαφής νευρομηχανής με βάση τον νευρώνα Jennifer Aniston και τα παρόμοια. Αυτή τη φορά, 12 ασθενείς του Ιατρικού Κέντρου με το όνομα V. I. Ronald Reagan στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια. Κατά τη διάρκεια των προεγχειρητικών μελετών, 64 ξεχωριστά ηλεκτρόδια εισήχθησαν στην περιοχή του μέσου κροταφικού λοβού. Παράλληλα άρχισαν τα πειράματα.

Η ανάπτυξη των επιστημών της ανώτερης νευρικής δραστηριότητας υπόσχεται απίστευτες προοπτικές: οι άνθρωποι θα μπορούν να κατανοήσουν καλύτερα τον εαυτό τους και να αντιμετωπίσουν ανίατες πλέον ασθένειες. Η ηθική και νομική πλευρά των πειραμάτων σε έναν ζωντανό ανθρώπινο εγκέφαλο παραμένει πρόβλημα.

Στους ανθρώπους έδειξαν για πρώτη φορά 110 εικόνες με θέματα της ποπ κουλτούρας. Ως αποτέλεσμα αυτού του πρώτου γύρου, επιλέχθηκαν τέσσερις εικόνες, στη θέα των οποίων καταγράφηκε ξεκάθαρα η διέγερση των νευρώνων σε διάφορα μέρη της μελετημένης περιοχής του φλοιού σε ολόκληρη τη ντουζίνα υποκείμενα. Στη συνέχεια, δύο εικόνες εμφανίζονταν ταυτόχρονα στην οθόνη, τοποθετημένες η μία πάνω στην άλλη και η καθεμία είχε 50% διαφάνεια, δηλαδή οι εικόνες έλαμπαν η μία από την άλλη.

Ζητήθηκε από το θέμα να αυξήσει νοερά τη φωτεινότητα μιας από τις δύο εικόνες, έτσι ώστε να συσκοτίσει τον «αντίπαλό» του. Σε αυτή την περίπτωση, ο νευρώνας που είναι υπεύθυνος για την εικόνα στην οποία εστιάστηκε η προσοχή του ασθενούς παρήγαγε ένα ισχυρότερο ηλεκτρικό σήμα από τον νευρώνα που σχετίζεται με τη δεύτερη εικόνα. Οι παλμοί σταθεροποιήθηκαν με ηλεκτρόδια, μπήκαν στον αποκωδικοποιητή και μετατράπηκαν σε σήμα που ελέγχει τη φωτεινότητα (ή τη διαφάνεια) της εικόνας.

Έτσι, η δουλειά της σκέψης ήταν αρκετά αρκετή για να αρχίσει η μια εικόνα να «σφυρηλατάει» την άλλη. Όταν ζητήθηκε από τα υποκείμενα να μην ενταθούν, αλλά, αντίθετα, να κάνουν μια από τις δύο εικόνες πιο χλωμή, η σύνδεση εγκεφάλου-υπολογιστή λειτούργησε και πάλι.

Ελαφρύ κεφάλι

Άξιζε αυτό το συναρπαστικό παιχνίδι την ανάγκη να γίνουν πειράματα σε ζωντανούς ανθρώπους, ειδικά σε αυτούς με σοβαρά προβλήματα υγείας; Σύμφωνα με τους συγγραφείς του έργου, άξιζε τον κόπο, επειδή οι ερευνητές όχι μόνο ικανοποίησαν τα θεμελιώδη επιστημονικά τους ενδιαφέροντα, αλλά έψαξαν επίσης για προσεγγίσεις για την επίλυση αρκετά εφαρμοσμένων προβλημάτων.

Εάν υπάρχουν νευρώνες (ή δέσμες νευρώνων) στον εγκέφαλο που ενθουσιάζονται με τη θέα της Jennifer Aniston, τότε πρέπει να υπάρχουν εγκεφαλικά κύτταρα που είναι υπεύθυνα για έννοιες και εικόνες που είναι πιο ουσιαστικές για τη ζωή. Σε περιπτώσεις όπου ο ασθενής δεν μπορεί να μιλήσει ή να επισημάνει τα προβλήματα και τις ανάγκες του με χειρονομίες, η άμεση σύνδεση με τον εγκέφαλο θα βοηθήσει τους γιατρούς να μάθουν για τις ανάγκες του ασθενούς από τους νευρώνες. Επιπλέον, όσο περισσότεροι συνειρμοί δημιουργούνται, τόσο περισσότερο ένα άτομο θα μπορεί να επικοινωνεί για τον εαυτό του.

Ωστόσο, ένα ηλεκτρόδιο που είναι ενσωματωμένο στον εγκέφαλο, ακόμα κι αν έχει διάμετρο 50 μικρά, είναι πολύ ακατέργαστο εργαλείο για να στοχεύσει με ακρίβεια έναν συγκεκριμένο νευρώνα. Μια πιο λεπτή μέθοδος αλληλεπίδρασης είναι η οπτογενετική, η οποία περιλαμβάνει τον μετασχηματισμό των νευρικών κυττάρων σε γενετικό επίπεδο.

Ο Ed Boyden και ο Karl Thessot, που ξεκίνησαν τη δουλειά τους στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, θεωρούνται από τους πρωτοπόρους αυτής της κατεύθυνσης. Η ιδέα τους ήταν να δράσουν στους νευρώνες χρησιμοποιώντας μικροσκοπικές πηγές φωτός. Για αυτό, τα κύτταρα, φυσικά, πρέπει να γίνουν φωτοευαίσθητα.

Δεδομένου ότι οι φυσικοί χειρισμοί της μεταμόσχευσης φωτοευαίσθητων πρωτεϊνών - οψινών - σε μεμονωμένα κύτταρα είναι σχεδόν αδύνατοι, οι ερευνητές πρότειναν … τη μόλυνση των νευρώνων με έναν ιό. Είναι αυτός ο ιός που θα εισάγει ένα γονίδιο που συνθέτει μια φωτοευαίσθητη πρωτεΐνη στο γονιδίωμα των κυττάρων.

Αυτή η τεχνολογία έχει πολλές πιθανές χρήσεις. Ένα από αυτά είναι η μερική αποκατάσταση της όρασης σε ένα μάτι με κατεστραμμένο αμφιβληστροειδή, μεταδίδοντας φωτοευαίσθητες ιδιότητες στα υπόλοιπα μη φωτοευαίσθητα κύτταρα (υπάρχουν επιτυχημένα πειράματα σε ζώα). Λαμβάνοντας ηλεκτρικά σήματα που προκαλούνται από το προσπίπτον φως, ο εγκέφαλος θα μάθει σύντομα να εργάζεται μαζί τους και να τα ερμηνεύει ως εικόνα, αν και κατώτερης ποιότητας.

Μια άλλη εφαρμογή είναι η εργασία με νευρώνες απευθείας στον εγκέφαλο χρησιμοποιώντας μικροσκοπικούς οδηγούς φωτός. Ενεργοποιώντας διαφορετικούς νευρώνες στον εγκέφαλο των ζώων με τη βοήθεια μιας δέσμης φωτός, είναι δυνατό να εντοπιστεί ποιες συμπεριφορικές αντιδράσεις προκαλούν αυτοί οι νευρώνες. Επιπλέον, η «ελαφριά» παρέμβαση στον εγκέφαλο μπορεί να έχει θεραπευτική αξία στο μέλλον.