Kako moderna glavna znanost istražuje mozak?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

Ne tako davno, prema povijesnim standardima, o mozgu se govorilo kao o "crnoj kutiji", procesi unutar koje su ostali misterij. Nedavna znanstvena dostignuća više nam ne dopuštaju da to tako kategorički izjavimo. Međutim, u području istraživanja mozga još uvijek ima daleko više pitanja nego nedvosmislenih odgovora.

Izuzetno je teško u ovom sustavu, koji ima kozmičke numeričke parametre i koji je u stalnom kretanju, prepoznati mehanizme koji bi se mogli povezati s onim što nazivamo pamćenjem i mišljenjem. Ponekad za to morate prodrijeti izravno u mozak. U najizravnijem fizičkom smislu.

Što god rekli branitelji divljih životinja, još nitko nije zabranio istraživačima eksperimentiranje na mozgovima majmuna i štakora. Međutim, kada je riječ o ljudskom mozgu - živom mozgu, naravno - eksperimenti na njemu praktički su nemogući iz zakonskih i etičkih razloga. U "sivu tvar" možete ući samo, kako kažu, za tvrtku s lijekovima.

Žice u mojoj glavi

Jedna takva prilika predstavljena istraživačima mozga bila je potreba za kirurškim liječenjem teških slučajeva epilepsije koji ne reagiraju na terapiju lijekovima. Uzrok bolesti su zahvaćena područja srednjeg temporalnog režnja. Upravo je ta područja potrebno ukloniti neurokirurškim metodama, ali prije svega ih je potrebno identificirati kako, da tako kažem, ne bi “odrezali višak”.

Američki neurokirurg Yitzhak Fried sa Sveučilišta u Kaliforniji (Los Angeles) bio je jedan od prvih koji je još 70-ih godina prošlog stoljeća primijenio tehnologiju umetanja elektroda od 1 mm izravno u moždanu koru. U usporedbi s veličinom živčanih stanica, elektrode su imale kiklopske dimenzije, ali je i tako grub instrument bio dovoljan da se ukloni prosječni električni signal s brojnih neurona (od tisuću do milijun).

U principu, to je bilo dovoljno za postizanje čisto medicinskih ciljeva, ali u nekoj fazi odlučeno je poboljšati instrument. Od sada je milimetarska elektroda dobila kraj u obliku grananja od osam tanjih elektroda promjera 50 μm.

To je omogućilo povećanje točnosti mjerenja sve do fiksiranja signala iz relativno malih skupina neurona. Također su razvijene metode za filtriranje signala poslanog iz jedne živčane stanice u mozgu iz "kolektivne" buke. Sve to nije učinjeno u medicinske svrhe, već u čisto znanstvene svrhe.

Što je plastičnost mozga?

Plastičnost mozga je nevjerojatna sposobnost našeg organa mišljenja da se prilagodi promjenjivim okolnostima. Ako naučimo vještinu i intenzivno treniramo mozak, pojavljuje se zadebljanje u području mozga odgovornom za tu vještinu. Neuroni koji se tamo nalaze stvaraju dodatne veze, konsolidirajući novostečene vještine. U slučaju oštećenja vitalnog dijela mozga, mozak ponekad ponovno razvija izgubljene centre u netaknutom području.

Imenovani neuroni

Predmet istraživanja bili su ljudi koji čekaju operaciju epilepsije: dok su elektrode ugrađene u moždanu koru čitale signale s neurona kako bi se točno odredilo područje kirurške intervencije, usput su se provodili vrlo zanimljivi eksperimenti. A to je bio upravo slučaj kada su ikone pop kulture - holivudske zvijezde, čije slike lako prepoznaje većina svjetske populacije, donijele stvarnu korist znanosti.

Suradnik Yitzhak Frida, liječnik i neurofiziolog Rodrigo Kian Quiroga, pokazao je ispitanicima na svom laptopu izbor dobro poznatih vizuala, uključujući popularne ličnosti i poznate strukture kao što je Sydney Opera House.

Kada su te slike prikazane, u mozgu je uočena električna aktivnost pojedinih neurona, a različite slike "uključuju" različite živčane stanice. Primjerice, instaliran je “neuron Jennifer Aniston” koji je “pucao” kad god bi se na ekranu pojavio portret ove romantične glumice. Koju god fotografiju Aniston pokazala subjektu, neuron "njezino ime" nije zakazao. Štoviše, funkcioniralo je i kada su se na ekranu pojavili kadrovi iz poznate TV serije, u kojima je glumica glumila, čak i ako ona sama nije bila u kadru. Ali pri pogledu na djevojke koje su samo nalikovale Jennifer, neuron je utihnuo.

Proučena živčana stanica, kako se pokazalo, bila je povezana upravo s holističkom slikom određene glumice, a ne uopće s pojedinim elementima njezina izgleda ili odjeće. I ovo otkriće pružilo je, ako ne ključ, onda ključ za razumijevanje mehanizama dugotrajnog pamćenja u ljudskom mozgu.

Jedina stvar koja nas je spriječila da krenemo naprijed bila su sama razmatranja etike i prava, koja smo već spomenuli. Znanstvenici nisu mogli postaviti elektrode ni u jedno drugo područje mozga, osim u ona koja su bila podvrgnuta preoperativnom istraživanju, a sama studija imala je ograničen medicinski vremenski okvir.

Zbog toga je bilo jako teško pronaći odgovor na pitanje postoji li neuron Jennifer Aniston, ili Brada Pitta, ili Eiffelov toranj, ili su možda kao rezultat mjerenja znanstvenici slučajno naletjeli na samo jednu ćeliju iz cijele mreže međusobno povezani sinaptičkim vezama, što je odgovorno za očuvanje ili prepoznavanje određene slike.

Igranje slikama

Kako god bilo, eksperimenti su nastavljeni, a pridružio im se i Moran Cerf - iznimno svestrana ličnost. Rodom Izraelac, okušao se kao poslovni savjetnik, haker i ujedno instruktor računalne sigurnosti, te umjetnik i pisac stripova, pisac i glazbenik.

Upravo je taj čovjek sa spektrom talenata dostojnih renesanse poduzeo stvaranje svojevrsnog neuromašinskog sučelja na temelju neurona Jennifer Aniston i slično. Ovoga puta 12 pacijenata Doma zdravlja V. I. Ronald Reagan na Sveučilištu u Kaliforniji. Tijekom preoperativnih studija, 64 odvojene elektrode umetnute su u područje srednjeg temporalnog režnja. Paralelno s tim, počeli su eksperimenti.

Razvoj znanosti o višoj živčanoj aktivnosti obećava nevjerojatne izglede: ljudi će moći bolje razumjeti sebe i nositi se sa sada neizlječivim bolestima. Moralna i pravna strana eksperimenata na živom ljudskom mozgu ostaje problem.

Ljudima je prvo prikazano 110 slika popkulturnih tema. Kao rezultat ovog prvog kruga, odabrane su četiri slike, na čijem je pogledu jasno zabilježena ekscitacija neurona u različitim dijelovima proučavanog područja korteksa kod čitavog desetak ispitanika. Zatim su se dvije slike istovremeno prikazivale na ekranu, postavljene jedna na drugu, a svaka je imala 50% prozirnosti, odnosno slike su sijale jedna kroz drugu.

Od subjekta je zatraženo da mentalno poveća svjetlinu jedne od dvije slike, tako da zakloni svog "suparnika". U ovom slučaju, neuron odgovoran za sliku na koju je bila usmjerena pacijentova pažnja proizvodi jači električni signal od neurona povezanog s drugom slikom. Impulsi su fiksirani elektrodama, ušli u dekoder i pretvoreni u signal koji kontrolira svjetlinu (ili prozirnost) slike.

Dakle, rad misli bio je sasvim dovoljan da jedna slika počne “zabijati” drugu. Kada je od ispitanika zatraženo da se ne intenziviraju, već, naprotiv, da jednu od dvije slike učine bljeđom, veza mozak-računalo ponovno je proradila.

Lagana glava

Je li ova uzbudljiva igra bila vrijedna potrebe za provođenjem eksperimenata na živim ljudima, posebice onima s ozbiljnim zdravstvenim problemima? Prema riječima autora projekta, isplatilo se jer su istraživači ne samo zadovoljili svoje znanstvene interese temeljne prirode, već su i napipali pristupe rješavanju prilično primijenjenih problema.

Ako postoje neuroni (ili snopovi neurona) u mozgu koji su uzbuđeni pri pogledu na Jennifer Aniston, tada moraju postojati moždane stanice koje su odgovorne za koncepte i slike koje su bitnije za život. U slučajevima kada pacijent ne može govoriti ili signalizirati svoje probleme i potrebe gestama, izravna veza s mozgom pomoći će liječnicima da saznaju o pacijentovim potrebama iz neurona. Štoviše, što se više udruga uspostavi, to će osoba moći više komunicirati o sebi.

Međutim, elektroda ugrađena u mozak, čak i ako je promjera 50 mikrona, previše je grubo sredstvo za precizno ciljanje određenog neurona. Suptilnija metoda interakcije je optogenetika, koja uključuje transformaciju živčanih stanica na genetskoj razini.

Ed Boyden i Karl Thessot, koji su započeli svoj rad na Sveučilištu Stanford, smatraju se među pionirima ovog smjera. Njihova ideja bila je djelovati na neurone pomoću minijaturnih izvora svjetlosti. Za to se stanice, naravno, moraju učiniti osjetljivima na svjetlost.

Budući da su fizičke manipulacije presađivanja proteina osjetljivih na svjetlost - opsina - u pojedinačne stanice gotovo nemoguće, znanstvenici su predložili … inficiranje neurona virusom. Upravo će ovaj virus u genom stanica unijeti gen koji sintetizira protein osjetljiv na svjetlost.

Ova tehnologija ima nekoliko potencijalnih upotreba. Jedna od njih je djelomična obnova vida u oku s oštećenom mrežnicom dajući svojstva osjetljiva na svjetlost preostalim neosjetljivim stanicama (postoje uspješni pokusi na životinjama). Primajući električne signale uzrokovane upadnom svjetlošću, mozak će uskoro naučiti raditi s njima i tumačiti ih kao sliku, iako lošije kvalitete.

Druga aplikacija radi s neuronima izravno u mozgu pomoću minijaturnih svjetlosnih vodiča. Aktiviranjem različitih neurona u mozgu životinja uz pomoć snopa svjetlosti moguće je pratiti kakve bihevioralne reakcije ti neuroni izazivaju. Osim toga, "svjetlosne" intervencije u mozgu mogu imati terapeutsku vrijednost u budućnosti.