Kako sodobna mainstream znanost raziskuje možgane?

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

Ne tako dolgo nazaj so po zgodovinskih standardih o možganih govorili kot o "črni skrinjici", procesi v kateri so ostali skrivnost. Nedavni znanstveni dosežki nam ne dovoljujejo več, da bi to izjavljali tako odločno. Vendar pa je na področju raziskovanja možganov še vedno veliko več vprašanj kot nedvoumnih odgovorov.

V tem sistemu, ki ima kozmične numerične parametre in je v stalnem gibanju, je izredno težko prepoznati mehanizme, ki bi jih lahko povezali s tem, čemur pravimo spomin in mišljenje. Včasih morate za to prodreti neposredno v možgane. V najbolj neposrednem fizičnem smislu.

Karkoli pravijo zagovorniki divjih živali, raziskovalcem še nihče ni prepovedal eksperimentiranja na možganih opic in podgan. Ko pa gre za človeške možgane – seveda žive možgane – so poskusi na njih iz pravnih in etičnih razlogov praktično nemogoči. V "sivo snov" lahko pridete samo, kot pravijo, za podjetje z zdravili.

Žice v moji glavi

Ena takih priložnosti, ki je bila predstavljena raziskovalcem možganov, je bila potreba po kirurškem zdravljenju hudih primerov epilepsije, ki se ne odzivajo na zdravljenje z zdravili. Vzrok bolezni so prizadeta območja srednjega temporalnega režnja. Prav ta področja je treba odstraniti z nevrokirurškimi metodami, vendar jih je treba najprej identificirati, da tako rekoč ne "odrežemo presežka".

Ameriški nevrokirurg Yitzhak Fried z Univerze v Kaliforniji (Los Angeles) je bil eden prvih, ki je že v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja uporabil tehnologijo vstavljanja 1 mm elektrod neposredno v možgansko skorjo. V primerjavi z velikostjo živčnih celic so imele elektrode ciklopske dimenzije, a je bil tudi tako surov instrument dovolj za odstranitev povprečnega električnega signala iz številnih nevronov (od tisoč do milijona).

Načeloma je bilo to dovolj za doseganje izključno medicinskih ciljev, vendar je bilo v neki fazi odločeno, da se instrument izboljša. Od zdaj naprej je milimetrska elektroda dobila konec v obliki razvejanja osmih tanjših elektrod s premerom 50 μm.

To je omogočilo povečanje natančnosti meritev do fiksacije signala iz relativno majhnih skupin nevronov. Razvite so bile tudi metode za filtriranje signala, poslanega iz ene same živčne celice v možganih, iz "kolektivnega" hrupa. Vse to ni bilo storjeno v medicinske namene, ampak v čisto znanstvene namene.

Kaj je plastičnost možganov?

Plastičnost možganov je neverjetna sposobnost našega miselnega organa, da se prilagaja spreminjajočim se okoliščinam. Če se neke veščine naučimo in intenzivno treniramo možgane, se v predelu možganov, ki je odgovoren za to veščino, pojavi zadebelitev. Nevroni, ki se nahajajo tam, ustvarjajo dodatne povezave, ki utrjujejo novo pridobljene veščine. V primeru poškodbe vitalnega dela možganov možgani včasih ponovno razvijejo izgubljene centre na nedotaknjenem območju.

Poimenovani nevroni

Predmet raziskovanja so bili ljudje, ki čakajo na operacijo zaradi epilepsije: medtem ko so elektrode, vgrajene v možgansko skorjo, brale signale iz nevronov za natančno določitev območja kirurškega posega, so se na poti izvajali zelo zanimivi poskusi. In prav tako je bilo, ko so ikone pop kulture - hollywoodske zvezde, katerih podobe zlahka prepozna večina svetovnega prebivalstva, prinesle resnične koristi znanosti.

Sodelavec Yitzhaka Fride, zdravnik in nevrofiziolog Rodrigo Kian Quiroga, je subjektom na svojem prenosnem računalniku pokazal izbor dobro znanih vizualnih vsebin, vključno s priljubljenimi osebnostmi in znamenitimi strukturami, kot je operna hiša v Sydneyju.

Ko so bile te slike prikazane, so opazili električno aktivnost posameznih nevronov v možganih in različne slike so »vključile« različne živčne celice. Na primer, nameščen je bil "nevron Jennifer Aniston", ki je "sprožil" vsakič, ko se je na zaslonu pojavil portret te romantične igralke. Ne glede na fotografijo, ki je bila Aniston prikazana subjektu, nevron "njeno ime" ni propadel. Poleg tega je delovalo tudi, ko so se na zaslonu pojavili kadri iz slavne TV serije, v katerih je igralka igrala, tudi če sama ni bila v kadru. Toda ob pogledu na dekleta, ki so izgledala le kot Jennifer, je nevron utihnil.

Proučevana živčna celica je bila, kot se je izkazalo, povezana ravno s celostno podobo določene igralke in sploh ne s posameznimi elementi njenega videza ali oblačil. In to odkritje je dalo, če ne ključ, pa namig za razumevanje mehanizmov zadrževanja dolgoročnega spomina v človeških možganih.

Edino, kar nam je preprečilo, da bi šli naprej, so bili že omenjeni etični in pravni premisleki. Znanstveniki niso mogli postaviti elektrod na nobeno drugo področje možganov, razen na tista, ki so bila podvržena predoperativnim raziskavam, sama študija pa je imela omejen medicinski časovni okvir.

Zaradi tega je bilo zelo težko najti odgovor na vprašanje, ali nevron Jennifer Aniston, Brada Pitta ali Eifflovega stolpa res obstaja, ali pa so morda znanstveniki zaradi meritev po naključju naleteli na samo eno celico iz celega omrežja. med seboj povezani s sinaptičnimi povezavami, kar je odgovorno za ohranjanje ali prepoznavanje določene podobe.

Igranje s slikami

Kakorkoli že, eksperimenti so se nadaljevali, pridružil pa se jim je Moran Cerf – izjemno vsestranska osebnost. Izraelec po rodu se je preizkusil kot poslovni svetovalec, heker in hkrati inštruktor računalniške varnosti ter umetnik in pisec stripov, pisatelj in glasbenik.

Prav ta človek s spektrom talentov, vrednih renesanse, se je lotil ustvarjanja nekakšnega nevrostrojnega vmesnika na podlagi nevrona Jennifer Aniston in podobnih. Tokrat je 12 pacientov Zdravstvenega doma poimenovanega V. I. Ronald Reagan na kalifornijski univerzi. Med predoperativnimi študijami je bilo v predel srednjega temporalnega režnja vstavljenih 64 ločenih elektrod. Vzporedno so se začeli poskusi.

Razvoj znanosti o višji živčni dejavnosti obljublja neverjetne obete: ljudje se bodo lahko bolje razumeli in se spopadli z zdaj neozdravljivimi boleznimi. Moralna in pravna plat eksperimentov na živih človeških možganih ostaja problem.

Ljudem je bilo najprej prikazanih 110 slik popkulturnih tem. Kot rezultat tega prvega kroga so bile izbrane štiri slike, ob pogledu na katere je bilo pri celotnem ducatu subjektov jasno zabeleženo vzbujanje nevronov v različnih delih preučevanega območja skorje. Nato sta se na zaslonu hkrati prikazali dve sliki, naloženi ena na drugo in vsaka je imela 50-odstotno prosojnost, to je, da sta sliki svetili ena skozi drugo.

Oseba so prosili, naj miselno poveča svetlost ene od dveh slik, tako da je zakril svojega "tekmca". V tem primeru je nevron, ki je odgovoren za sliko, na katero je bila usmerjena pacientova pozornost, proizvedel močnejši električni signal kot nevron, povezan z drugo sliko. Impulze so fiksirali z elektrodami, vstopili v dekoder in se spremenili v signal, ki nadzoruje svetlost (ali prosojnost) slike.

Tako je bilo miselnega dela povsem dovolj, da je ena slika začela "zabijati" drugo. Ko so subjekte prosili, naj se ne intenzivirajo, ampak, nasprotno, naj naredijo eno od dveh slik bolj bledo, je povezava možgani-računalnik spet delovala.

Lahka glava

Je bila ta razburljiva igra vredna potrebe po izvajanju poskusov na živih ljudeh, zlasti tistih z resnimi zdravstvenimi težavami? Po mnenju avtorjev projekta se je splačalo, saj raziskovalci niso zadovoljili le svojih temeljnih znanstvenih interesov, temveč so iskali tudi pristope k reševanju precej uporabnih problemov.

Če so v možganih nevroni (ali snopi nevronov), ki so vznemirjeni ob pogledu na Jennifer Aniston, potem morajo obstajati možganske celice, ki so odgovorne za koncepte in slike, ki so pomembnejši za življenje. V primerih, ko bolnik ne more govoriti ali signalizirati svojih težav in potreb s kretnjami, bo neposredna povezava z možgani pomagala zdravnikom, da se naučijo o pacientovih potrebah iz nevronov. Še več, več združenj bo ustanovljenih, več bo oseba lahko komunicirala o sebi.

Vendar pa je elektroda, vgrajena v možgane, tudi če ima premer 50 mikronov, preveč grobo orodje za natančno ciljanje na določen nevron. Bolj subtilna metoda interakcije je optogenetika, ki vključuje transformacijo živčnih celic na genetski ravni.

Ed Boyden in Karl Thessot, ki sta začela svoje delo na univerzi Stanford, veljata za pionirje te smeri. Njihova ideja je bila delovati na nevrone z uporabo miniaturnih virov svetlobe. Za to morajo biti celice seveda občutljive na svetlobo.

Ker so fizične manipulacije presaditve svetlobno občutljivih beljakovin - opsinov - v posamezne celice skoraj nemogoče, so raziskovalci predlagali … okužbo nevronov z virusom. Prav ta virus bo v genom celic vnesel gen, ki sintetizira na svetlobo občutljiv protein.

Ta tehnologija ima več možnih uporab. Eden od njih je delna obnova vida v očesu s poškodovano mrežnico s prenosom svetlobno občutljivih lastnosti preostalim celicam, ki niso občutljive na svetlobo (obstajajo uspešni poskusi na živalih). Ob sprejemanju električnih signalov, ki jih povzroča vpadna svetloba, se bodo možgani kmalu naučili delati z njimi in jih interpretirati kot sliko, čeprav slabše kakovosti.

Druga aplikacija je delo z nevroni neposredno v možganih z uporabo miniaturnih svetlobnih vodnikov. Z aktiviranjem različnih nevronov v možganih živali s pomočjo svetlobnega snopa je mogoče izslediti, kakšne vedenjske odzive ti nevroni povzročajo. Poleg tega ima lahko "lahka" intervencija v možganih v prihodnosti terapevtsko vrednost.