Как съвременната масова наука изследва мозъка?

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Не толкова отдавна, според историческите стандарти, за мозъка се говори като за "черна кутия", процесите вътре в която остават загадка. Последните научни постижения вече не ни позволяват да декларираме това толкова категорично. Все още обаче има много повече въпроси, отколкото недвусмислени отговори в областта на изследването на мозъка.

Изключително трудно е да се разпознаят в тази система, която има космически числени параметри и е в постоянно движение, механизми, които биха могли да бъдат свързани с това, което наричаме памет и мислене. Понякога за това трябва да проникнете директно в мозъка. В най-прекия физически смисъл.

Каквото и да казват защитниците на дивата природа, все още никой не е забранил на изследователите да експериментират върху мозъците на маймуни и плъхове. Въпреки това, когато става дума за човешкия мозък – жив мозък, разбира се – експериментите върху него са практически невъзможни по съображения от закон и етика. Можете да влезете вътре в "сивото вещество" само, както се казва, за компанията с лекарства.

Жици в главата ми

Една такава възможност, предоставена на изследователите на мозъка, беше необходимостта от хирургично лечение на тежки случаи на епилепсия, които не се повлияват от лекарствена терапия. Причината за заболяването са засегнатите области на средния темпорален лоб. Именно тези области трябва да бъдат отстранени с помощта на неврохирургични методи, но преди всичко те трябва да бъдат идентифицирани, така че да не се „отрязва излишното“.

Американският неврохирург Ицхак Фрид от Калифорнийския университет (Лос Анджелис) беше един от първите, приложили технологията за вкарване на 1 мм електроди директно в мозъчната кора още през 70-те години на миналия век. В сравнение с размера на нервните клетки, електродите имаха циклопски размери, но дори и такъв груб инструмент беше достатъчен, за да премахне средния електрически сигнал от редица неврони (от хиляда до милион).

По принцип това беше достатъчно за постигане на чисто медицински цели, но на някакъв етап беше решено инструментът да се подобри. Оттук нататък милиметровият електрод получи край под формата на разклонение от осем по-тънки електрода с диаметър 50 μm.

Това даде възможност да се увеличи точността на измерванията до фиксирането на сигнала от сравнително малки групи неврони. Разработени са и методи за филтриране на сигнала, изпратен от една нервна клетка в мозъка, от "колективния" шум. Всичко това беше направено не за медицински цели, а с чисто научни цели.

Какво е пластичност на мозъка?

Пластичността на мозъка е удивителната способност на нашия орган на мислене да се адаптира към променящите се обстоятелства. Ако научим умение и тренираме мозъка интензивно, се появява удебеляване в областта на мозъка, отговорна за това умение. Невроните, разположени там, създават допълнителни връзки, консолидиращи новопридобитите умения. В случай на увреждане на жизненоважна част от мозъка, мозъкът понякога отново развива изгубените центрове в непокътнатата област.

Наречени неврони

Обектите на изследване са хора, очакващи операция от епилепсия: докато електродите, вградени в мозъчната кора, четат сигнали от неврони, за да определят точно зоната на хирургическа интервенция, по пътя бяха проведени много интересни експерименти. И това беше точно така, когато иконите на поп културата - холивудските звезди, чиито образи са лесно разпознаваеми от по-голямата част от световното население, донесоха реални ползи за науката.

Колегата на Ицхак Фрида, лекар и неврофизиолог Родриго Киан Кирога, показа на участниците на лаптопа си селекция от добре познати визуални изображения, включително популярни личности и известни структури като Операта в Сидни.

Когато тези снимки бяха показани, електрическата активност на отделните неврони беше наблюдавана в мозъка и различни изображения „включиха“различни нервни клетки. Например, беше инсталиран „неврон на Дженифър Анистън“, който „изстреля“всеки път, когато на екрана се появи портрет на тази романтична актриса. Каквато и снимка да беше показана на Анистън на субекта, невронът „нейното име“не се провали. Освен това работеше и когато на екрана се появиха кадри от известния телевизионен сериал, в който актрисата участва, дори и самата тя да не беше в кадъра. Но при вида на момичета, които само приличаха на Дженифър, невронът замълча.

Изследваната нервна клетка, както се оказа, се свързва именно с холистичния образ на конкретна актриса, а не с отделни елементи от нейния външен вид или облекло. И това откритие предостави, ако не ключ, то ключ към разбирането на механизмите на дългосрочното запазване на паметта в човешкия мозък.

Единственото нещо, което ни попречи да продължим напред, бяха самите съображения за етика и право, които бяха споменати по-горе. Учените не можеха да поставят електроди в други области на мозъка, освен тези, които бяха подложени на предоперативно изследване, а самото проучване имаше ограничен медицински период от време.

Това направи много трудно намирането на отговор на въпроса дали невронът на Дженифър Анистън, или Брад Пит, или Айфеловата кула наистина съществува, или може би в резултат на измервания учените случайно са се натъкнали само на една клетка от цяла мрежа свързани помежду си чрез синаптични връзки, което е отговорно за запазването или разпознаването на определен образ.

Игра със снимки

Както и да е, експериментите продължиха и към тях се присъедини Моран Серф - изключително гъвкава личност. Израелец по рождение, той се опита като бизнес консултант, хакер и в същото време инструктор по компютърна сигурност, както и художник и писател на комикси, писател и музикант.

Именно този човек с спектър от таланти, достойни за Ренесанса, се зае да създаде един вид невромашинен интерфейс на базата на неврона на Дженифър Анистън и други подобни. Този път 12 пациенти на Медицински център на името на V. I. Роналд Рейгън в Калифорнийския университет. В хода на предоперативните изследвания бяха поставени 64 отделни електрода в областта на средния темпорален лоб. Успоредно с това започнаха експерименти.

Развитието на науките за висшата нервна дейност обещава невероятни перспективи: хората ще могат по-добре да се разберат и да се справят с неизлечими сега заболявания. Моралната и правна страна на експериментите върху жив човешки мозък остава проблем.

Първо на хората бяха показани 110 изображения на теми от поп културата. В резултат на този първи кръг бяха избрани четири снимки, при вида на които възбуждането на неврони в различни части на изследваната област на кората беше ясно записано при цялата дузина субекти. След това две изображения бяха показани едновременно на екрана, насложени едно върху друго и всяко имаше 50% прозрачност, тоест изображенията блестяха едно през друго.

Субектът беше помолен да увеличи мислено яркостта на едно от двете изображения, така че да затъмни своя „съперник“. В този случай невронът, отговорен за изображението, върху което е фокусирано вниманието на пациента, произвежда по-силен електрически сигнал от неврона, свързан с второто изображение. Импулсите се фиксират от електроди, влизат в декодера и се превръщат в сигнал, който контролира яркостта (или прозрачността) на изображението.

Така работата на мисълта беше напълно достатъчна, за да може едната картина да започне да „чуква” другата. Когато субектите бяха помолени да не се засилват, а, напротив, да направят едно от двете изображения по-бледо, връзката мозък-компютър отново заработи.

Светла глава

Заслужаваше ли си тази вълнуваща игра необходимостта от провеждане на експерименти върху живи хора, особено тези със сериозни здравословни проблеми? Според авторите на проекта си е струвало, защото изследователите не само задоволяват своите научни интереси от фундаментален характер, но и опипват подходи за решаване на доста приложни проблеми.

Ако има неврони (или снопове неврони) в мозъка, които се вълнуват при вида на Дженифър Анистън, тогава трябва да има мозъчни клетки, които са отговорни за концепции и образи, които са по-важни за живота. В случаите, когато пациентът не може да говори или да сигнализира за проблемите и нуждите си с жестове, директната връзка с мозъка ще помогне на лекарите да научат за нуждите на пациента от невроните. Освен това, колкото повече асоциации се създават, толкова повече човек ще може да общува за себе си.

Въпреки това, електрод, вграден в мозъка, дори и да е с диаметър 50 микрона, е твърде груб инструмент, за да се насочи точно към конкретен неврон. По-фин метод на взаимодействие е оптогенетиката, която включва трансформацията на нервните клетки на генетично ниво.

Ед Бойдън и Карл Тесо, които започнаха работата си в Станфордския университет, се считат за пионерите в тази посока. Идеята им беше да въздействат върху невроните с помощта на миниатюрни източници на светлина. За това клетките, разбира се, трябва да бъдат направени светлочувствителни.

Тъй като физическите манипулации за трансплантиране на светлочувствителни протеини - опсини - в отделни клетки са почти невъзможни, изследователите предполагат … заразяване на невроните с вирус. Именно този вирус ще въведе ген, който синтезира светлочувствителен протеин в генома на клетките.

Тази технология има няколко потенциални приложения. Едно от тях е частично възстановяване на зрението в око с увредена ретина чрез придаване на светлочувствителни свойства на останалите нечувствителни към светлина клетки (има успешни експерименти върху животни). Получавайки електрически сигнали, причинени от падащата светлина, мозъкът скоро ще се научи да работи с тях и да ги интерпретира като образ, макар и с по-ниско качество.

Друго приложение работи с неврони директно в мозъка с помощта на миниатюрни светлинни водачи. Чрез активиране на различни неврони в мозъка на животните с помощта на лъч светлина е възможно да се проследи какви поведенчески реакции предизвикват тези неврони. Освен това "леката" намеса в мозъка може да има терапевтична стойност в бъдеще.