Jak współczesna nauka głównego nurtu bada mózg?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Nie tak dawno temu, zgodnie z historycznymi standardami, mówiono o mózgu jako o „czarnej skrzynce”, a procesy wewnątrz których pozostawały tajemnicą. Ostatnie osiągnięcia naukowe nie pozwalają już tego tak kategorycznie deklarować. Jednak w dziedzinie badań nad mózgiem wciąż jest znacznie więcej pytań niż jednoznacznych odpowiedzi.

Niezwykle trudno rozpoznać w tym systemie, który ma kosmiczne parametry liczbowe i jest w ciągłym ruchu, mechanizmy, które można by skorelować z tym, co nazywamy pamięcią i myśleniem. Czasami do tego trzeba wniknąć bezpośrednio do mózgu. W najbardziej bezpośrednim fizycznym sensie.

Cokolwiek mówią obrońcy dzikiej przyrody, nikt jeszcze nie zabronił badaczom eksperymentowania na mózgach małp i szczurów. Natomiast jeśli chodzi o mózg ludzki - oczywiście mózg żywy - eksperymenty na nim są praktycznie niemożliwe ze względów prawnych i etycznych. Do „szarej materii” można dostać się tylko, jak mówią, dla firmy z medycyną.

Druty w mojej głowie

Jedną z takich możliwości przedstawionych badaczom mózgu była potrzeba leczenia chirurgicznego ciężkich przypadków padaczki, które nie reagują na terapię lekową. Przyczyną choroby są dotknięte obszary pośrodkowego płata skroniowego. To właśnie te obszary trzeba usunąć metodami neurochirurgicznymi, ale przede wszystkim należy je zidentyfikować, by niejako „nie odciąć nadmiaru”.

Amerykański neurochirurg Yitzhak Fried z Uniwersytetu Kalifornijskiego (Los Angeles) był jednym z pierwszych, który w latach 70. XX wieku zastosował technologię wprowadzania 1 mm elektrod bezpośrednio do kory mózgowej. W porównaniu z wielkością komórek nerwowych, elektrody miały wymiary cyklopowe, ale nawet tak prymitywne narzędzie wystarczyło do usunięcia przeciętnego sygnału elektrycznego z wielu neuronów (od tysiąca do miliona).

W zasadzie to wystarczyło do osiągnięcia celów czysto medycznych, ale na pewnym etapie postanowiono ulepszyć instrument. Odtąd elektroda milimetrowa otrzymała zakończenie w postaci rozgałęzienia ośmiu cieńszych elektrod o średnicy 50 μm.

Umożliwiło to zwiększenie dokładności pomiarów aż do utrwalenia sygnału ze stosunkowo niewielkich grup neuronów. Opracowano również metody odfiltrowywania sygnału wysyłanego z pojedynczej komórki nerwowej w mózgu z „zbiorowego” szumu. Wszystko to zostało zrobione nie w celach medycznych, ale w celach czysto naukowych.

Czym jest plastyczność mózgu?

Plastyczność mózgu to niesamowita zdolność naszego narządu myślenia do dostosowywania się do zmieniających się okoliczności. Jeśli uczymy się jakiejś umiejętności i intensywnie trenujemy mózg, w obszarze mózgu odpowiedzialnym za tę umiejętność pojawia się zgrubienie. Znajdujące się tam neurony tworzą dodatkowe połączenia, konsolidując nowo nabyte umiejętności. W przypadku uszkodzenia ważnej części mózgu, mózg czasami ponownie rozwija utracone ośrodki w nienaruszonym obszarze.

Nazwane neurony

Obiektem badań były osoby oczekujące na operację padaczki: podczas gdy elektrody osadzone w korze mózgowej odczytywały sygnały z neuronów w celu dokładnego określenia obszaru interwencji chirurgicznej, po drodze przeprowadzono bardzo ciekawe eksperymenty. I tak właśnie było, gdy ikony popkultury – gwiazdy Hollywood, których wizerunki są łatwo rozpoznawalne przez większość światowej populacji, przyniosły nauce realne korzyści.

Współpracownik Yitzhaka Fridy, lekarz i neurofizjolog Rodrigo Kian Quiroga, pokazał badanym na swoim laptopie wybór dobrze znanych wizualizacji, w tym popularnych osobistości i słynnych budowli, takich jak Opera w Sydney.

Kiedy pokazano te zdjęcia, zaobserwowano aktywność elektryczną poszczególnych neuronów w mózgu, a różne obrazy „włączyły” różne komórki nerwowe. Na przykład zainstalowano „neuron Jennifer Aniston”, który „odpalał” za każdym razem, gdy na ekranie pojawiał się portret tej romantycznej aktorki. Bez względu na to, jakie zdjęcie Aniston pokazano podmiotowi, neuron „jej imię” nie zawiódł. Co więcej, zadziałało również, gdy na ekranie pojawiły się kadry ze słynnego serialu, w którym wystąpiła aktorka, nawet jeśli sama nie była w kadrze. Ale na widok dziewczyn, które tylko wyglądały jak Jennifer, neuron zamilkł.

Badana komórka nerwowa, jak się okazało, kojarzyła się właśnie z całościowym wizerunkiem konkretnej aktorki, a nie z poszczególnymi elementami jej wyglądu czy ubioru. I to odkrycie dostarczyło, jeśli nie klucza, to podpowiedzi do zrozumienia mechanizmów utrzymywania pamięci długotrwałej w ludzkim mózgu.

Jedyne, co przeszkadzało nam iść naprzód, to same względy etyczne i prawne, o których była mowa powyżej. Naukowcy nie mogli umieścić elektrod w żadnych innych obszarach mózgu, z wyjątkiem tych, które poddano badaniom przedoperacyjnym, a samo badanie miało ograniczone ramy czasowe.

Utrudniło to znalezienie odpowiedzi na pytanie, czy neuron Jennifer Aniston, czy Brada Pitta, czy Wieża Eiffla naprawdę istnieje, czy może w wyniku pomiarów naukowcy przypadkowo natknęli się na tylko jedną komórkę z całej sieci połączone ze sobą połączeniami synaptycznymi, które odpowiadają za zachowanie lub rozpoznanie określonego obrazu.

Bawić się obrazkami

Tak czy inaczej, eksperymenty trwały dalej i dołączył do nich Moran Cerf – niezwykle wszechstronna osobowość. Izraelczyk z urodzenia, próbował się jako konsultant biznesowy, haker i jednocześnie instruktor bezpieczeństwa komputerowego, a także artysta i autor komiksów, pisarz i muzyk.

To właśnie ten człowiek o spektrum talentów godnych Renesansu podjął się stworzenia czegoś w rodzaju interfejsu neuromaszyny na bazie neuronu Jennifer Aniston i tym podobnych. Tym razem 12 pacjentów Centrum Medycznego im. V. I. Ronalda Reagana na Uniwersytecie Kalifornijskim. W trakcie badań przedoperacyjnych w rejon pośrodkowego płata skroniowego wprowadzono 64 oddzielne elektrody. Równolegle rozpoczęły się eksperymenty.

Rozwój nauk o wyższej aktywności nerwowej obiecuje niesamowite perspektywy: ludzie będą mogli lepiej zrozumieć siebie i radzić sobie z nieuleczalnymi obecnie dolegliwościami. Problemem pozostaje moralna i prawna strona eksperymentów na żywym ludzkim mózgu.

Po raz pierwszy pokazano ludziom 110 obrazów o tematyce popkultury. W wyniku tej pierwszej tury wyselekcjonowano cztery zdjęcia, na widok których pobudzenie neuronów w różnych częściach badanego obszaru kory zostało wyraźnie zarejestrowane u całego tuzina badanych. Następnie dwa obrazy były wyświetlane jednocześnie na ekranie, nałożone na siebie, a każdy miał 50% przezroczystości, to znaczy obrazy przeświecały przez siebie.

Obiekt został poproszony o mentalne zwiększenie jasności jednego z dwóch obrazów, tak aby przesłonił swojego „rywala”. W tym przypadku neuron odpowiedzialny za obraz, na którym skupiała się uwaga pacjenta, wytwarzał silniejszy sygnał elektryczny niż neuron powiązany z drugim obrazem. Impulsy były utrwalane przez elektrody, wchodziły do dekodera i zamieniane na sygnał kontrolujący jasność (lub przezroczystość) obrazu.

Tak więc praca myśli wystarczyła, aby jeden obraz zaczął „wbijać” w drugi. Kiedy poproszono badanych o nie intensyfikację, ale wręcz przeciwnie, o wyblaknięcie jednego z dwóch obrazów, połączenie mózg-komputer ponownie zadziałało.

Lekka głowa

Czy ta ekscytująca gra była warta przeprowadzenia eksperymentów na żywych ludziach, zwłaszcza tych z poważnymi problemami zdrowotnymi? Zdaniem autorów projektu było warto, ponieważ badacze nie tylko zaspokajali swoje zainteresowania naukowe o charakterze podstawowym, ale także szukali po omacku podejść do rozwiązywania dość stosowanych problemów.

Jeśli w mózgu znajdują się neurony (lub wiązki neuronów), które są podekscytowane na widok Jennifer Aniston, to muszą istnieć komórki mózgowe odpowiedzialne za pojęcia i obrazy, które są bardziej istotne dla życia. W przypadkach, gdy pacjent nie jest w stanie mówić lub sygnalizować swoje problemy i potrzeby gestami, bezpośrednie połączenie z mózgiem pomoże lekarzom dowiedzieć się o potrzebach pacjenta od neuronów. Co więcej, im więcej skojarzeń zostanie nawiązanych, tym więcej osoba będzie mogła komunikować się o sobie.

Jednak elektroda osadzona w mózgu, nawet jeśli ma średnicę 50 mikronów, jest zbyt prymitywnym narzędziem, aby dokładnie namierzyć konkretny neuron. Bardziej subtelną metodą interakcji jest optogenetyka, która polega na transformacji komórek nerwowych na poziomie genetycznym.

Ed Boyden i Karl Thessot, którzy rozpoczęli pracę na Uniwersytecie Stanforda, są uważani za pionierów tego kierunku. Ich pomysł polegał na oddziaływaniu na neurony za pomocą miniaturowych źródeł światła. W tym celu komórki muszą być oczywiście uwrażliwione na światło.

Ponieważ fizyczne manipulacje przeszczepianiem światłoczułych białek - opsyn - do poszczególnych komórek są prawie niemożliwe, naukowcy zasugerowali… zainfekowanie neuronów wirusem. To właśnie ten wirus wprowadzi do genomu komórek gen, który syntetyzuje światłoczułe białko.

Ta technologia ma kilka potencjalnych zastosowań. Jednym z nich jest częściowe przywrócenie widzenia w oku z uszkodzoną siatkówką poprzez nadanie właściwości światłoczułych pozostałym niewrażliwym na światło komórkom (są udane eksperymenty na zwierzętach). Odbierając sygnały elektryczne wywołane przez padające światło, mózg wkrótce nauczy się z nimi pracować i zinterpretować je jako obraz, choć gorszej jakości.

Innym zastosowaniem jest praca z neuronami bezpośrednio w mózgu za pomocą miniaturowych światłowodów. Aktywując różne neurony w mózgu zwierząt za pomocą wiązki światła, można prześledzić, jakie reakcje behawioralne wywołują te neurony. Ponadto interwencja „świetlna” w mózgu może mieć w przyszłości wartość terapeutyczną.