Kā mūsdienu vispārējā zinātne pēta smadzenes?

2024 Autors: Seth Attwood | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-16 16:11

Ne tik sen, pēc vēsturiskiem standartiem, par smadzenēm runāja kā par "melno kasti", kuras iekšienē notiekošie procesi palika noslēpums. Jaunākie zinātnes sasniegumi vairs neļauj mums to tik kategoriski deklarēt. Tomēr smadzeņu izpētes jomā joprojām ir daudz vairāk jautājumu nekā viennozīmīgu atbilžu.

Šajā sistēmā, kurai ir kosmiski skaitliskie parametri un kura atrodas pastāvīgā kustībā, ir ārkārtīgi grūti atpazīt mehānismus, kas varētu būt saistīti ar to, ko mēs saucam par atmiņu un domāšanu. Dažreiz šim nolūkam ir jāiekļūst tieši smadzenēs. Tiešākajā fiziskajā nozīmē.

Lai ko teiktu savvaļas dabas aizstāvji, neviens vēl nav aizliedzis pētniekiem eksperimentēt ar pērtiķu un žurku smadzenēm. Taču, runājot par cilvēka smadzenēm – dzīvām smadzenēm, protams, – eksperimenti ar tām ir praktiski neiespējami likuma un ētikas apsvērumu dēļ. Iekļūt "pelēkajā vielā" var tikai, kā saka, firmai ar zālēm.

Vadi manā galvā

Viena no šādām smadzeņu pētniekiem piedāvātajām iespējām bija nepieciešamība pēc ķirurģiskas ārstēšanas smagos epilepsijas gadījumos, kas nereaģē uz zāļu terapiju. Slimības cēlonis ir vidējās temporālās daivas skartās zonas. Tieši šīs zonas ir jānoņem ar neiroķirurģijas metodēm, bet vispirms tās ir jāidentificē, lai, tā teikt, “nenogrieztu lieko”.

Amerikāņu neiroķirurgs Yitzhak Fried no Kalifornijas Universitātes (Losandželosa) bija viens no pirmajiem, kas 1970. gados pielietoja 1 mm elektrodu ievietošanas tehnoloģiju tieši smadzeņu garozā. Salīdzinot ar nervu šūnu izmēriem, elektrodiem bija ciklopiski izmēri, taču pat ar šādu neapstrādātu instrumentu pietika, lai no vairākiem neironiem noņemtu vidējo elektrisko signālu (no tūkstoša līdz miljonam).

Principā ar to pietika, lai sasniegtu tīri medicīniskus mērķus, taču kādā posmā tika nolemts instrumentu uzlabot. Turpmāk milimetra elektrods saņēma galu astoņu plānāku elektrodu ar 50 μm diametru atzarojuma veidā.

Tas ļāva palielināt mērījumu precizitāti līdz signāla fiksācijai no salīdzinoši nelielām neironu grupām. Ir izstrādātas arī metodes, lai no "kolektīvā" trokšņa izfiltrētu signālu, kas tiek sūtīts no vienas smadzeņu nervu šūnas. Tas viss tika darīts nevis medicīniskiem, bet tīri zinātniskiem nolūkiem.

Kas ir smadzeņu plastiskums?

Smadzeņu plastiskums ir mūsu domāšanas orgāna apbrīnojamā spēja pielāgoties mainīgajiem apstākļiem. Ja mēs apgūstam kādu prasmi un intensīvi trenējam smadzenes, smadzeņu zonā, kas ir atbildīga par šo prasmi, parādās sabiezējums. Tur izvietotie neironi veido papildu savienojumus, nostiprinot jauniegūtās prasmes. Smadzeņu dzīvībai svarīgas daļas bojājuma gadījumā smadzenes dažkārt no jauna attīsta zaudētos centrus neskartajā zonā.

Nosaukti neironi

Pētījuma objekti bija cilvēki, kas gaidīja operāciju ar epilepsiju: kamēr smadzeņu garozā ievietotie elektrodi nolasīja signālus no neironiem, lai precīzi noteiktu ķirurģiskās iejaukšanās zonu, pa ceļam tika veikti ļoti interesanti eksperimenti. Un tas bija tieši tas gadījums, kad popkultūras ikonas – Holivudas zvaigznes, kuru tēlus vairums pasaules iedzīvotāju viegli atpazīst, zinātnei nesa patiesu labumu.

Ičaka Frīdas līdzstrādnieks, ārsts un neirofiziologs Rodrigo Kians Kviroga savā klēpjdatorā rādīja subjektiem labi zināmu vizuālo materiālu izlasi, tostarp populāras personības un slavenas struktūras, piemēram, Sidnejas operas namu.

Kad šie attēli tika parādīti, smadzenēs tika novērota atsevišķu neironu elektriskā aktivitāte, un dažādi attēli "ieslēgja" dažādas nervu šūnas. Piemēram, tika uzstādīts “Dženiferas Anistones neirons”, kas “atšāvās” ikreiz, kad ekrānā parādījās šīs romantiskās aktrises portrets. Neatkarīgi no tā, kāda fotogrāfija Aniston tika parādīta subjektam, neirons "viņas vārds" neizdevās. Turklāt tas darbojās arī tad, kad ekrānā parādījās kadri no slavenā seriāla, kurā aktrise filmējās, pat ja viņa pati nebija kadrā. Taču, ieraugot meitenes, kuras izskatījās tikai pēc Dženiferas, neirons apklusa.

Pētītā nervu šūna, kā izrādījās, bija saistīta tieši ar konkrētas aktrises holistisko tēlu, nevis ar atsevišķiem viņas izskata vai apģērba elementiem. Un šis atklājums sniedza ja ne atslēgu, tad pavedienu, lai izprastu ilgtermiņa atmiņas saglabāšanas mehānismus cilvēka smadzenēs.

Vienīgais, kas mums traucēja virzīties uz priekšu, bija paši iepriekš minētie ētikas un tiesību apsvērumi. Zinātnieki nevarēja ievietot elektrodus nevienā citā smadzeņu zonā, izņemot tos, kas tika pakļauti pirmsoperācijas pētījumiem, un pašam pētījumam bija ierobežots medicīniskais laiks.

Tas ļoti apgrūtināja atbildes atrašanu uz jautājumu, vai Dženiferas Anistones vai Breda Pita neirons, vai Eifeļa tornis tiešām eksistē, vai varbūt mērījumu rezultātā zinātnieki nejauši uzdūrās tikai vienai šūnai no visa tīkla. savstarpēji saistīti ar sinaptiskiem savienojumiem, kas atbild par noteikta tēla saglabāšanu vai atpazīšanu.

Spēlēšanās ar attēliem

Lai kā arī būtu, eksperimenti turpinājās, un tiem pievienojās Morans Serfs – ārkārtīgi daudzpusīga personība. Pēc dzimšanas viņš ir izraēlietis, viņš izmēģināja sevi kā biznesa konsultants, hakeris un vienlaikus datordrošības instruktors, kā arī mākslinieks un komiksu rakstnieks, rakstnieks un mūziķis.

Tieši šis cilvēks ar renesanses laikmetam cienīgu talantu spektru apņēmās izveidot sava veida neiromašīnas saskarni, pamatojoties uz Dženiferas Anistonas neironu un tamlīdzīgi. Šoreiz V. I. vārdā nosauktā Medicīnas centra 12 pacienti. Ronalds Reigans Kalifornijas Universitātē. Pirmsoperācijas pētījumu laikā vidējās temporālās daivas reģionā tika ievietoti 64 atsevišķi elektrodi. Paralēli sākās eksperimenti.

Augstākas nervu darbības zinātņu attīstība sola neticamas perspektīvas: cilvēki varēs labāk izprast sevi un tikt galā ar tagad neārstējamām slimībām. Eksperimentu ar dzīvām cilvēka smadzenēm morālā un juridiskā puse joprojām ir problēma.

Cilvēkiem vispirms tika parādīti 110 popkultūras tēmu attēli. Šīs pirmās kārtas rezultātā tika atlasīti četri attēli, kurus redzot, neironu ierosme dažādās pētāmās garozas zonas daļās tika skaidri reģistrēta visos desmitos subjektos. Pēc tam ekrānā vienlaikus tika parādīti divi attēli, kas bija uzlikti viens otram, un katram bija 50% caurspīdīgums, tas ir, attēli spīdēja viens otram cauri.

Objektam tika lūgts garīgi palielināt viena no diviem attēliem spilgtumu, lai viņš aizēnotu savu "konkurentu". Šajā gadījumā neirons, kas ir atbildīgs par attēlu, uz kuru tika koncentrēta pacienta uzmanība, radīja spēcīgāku elektrisko signālu nekā neirons, kas saistīts ar otro attēlu. Impulsi tika fiksēti ar elektrodiem, ievadīti dekodētājā un pārvērsti par signālu, kas kontrolē attēla spilgtumu (vai caurspīdīgumu).

Līdz ar to pārdomu darba bija pilnīgi pietiekami, lai viena bilde sāktu “kalt” otru. Kad subjektiem tika lūgts neintensificēt, bet, gluži pretēji, vienu no diviem attēliem padarīt bālāku, smadzeņu un datora saikne atkal darbojās.

Viegla galva

Vai šī aizraujošā spēle bija tā vērta, lai veiktu eksperimentus ar dzīviem cilvēkiem, īpaši tiem, kuriem ir nopietnas veselības problēmas? Pēc projekta autoru domām, tas bija tā vērts, jo pētnieki ne tikai apmierināja savas fundamentāla rakstura zinātniskās intereses, bet arī taustīja pieejas visai lietišķu problēmu risināšanai.

Ja smadzenēs ir neironi (vai neironu kūļi), kas ir sajūsmā, ieraugot Dženiferu Anistonu, tad ir jābūt smadzeņu šūnām, kas ir atbildīgas par dzīvībai būtiskākiem jēdzieniem un attēliem. Gadījumos, kad pacients nespēj runāt vai signalizēt par savām problēmām un vajadzībām ar žestiem, tiešais savienojums ar smadzenēm palīdzēs ārstiem uzzināt par pacienta vajadzībām no neironiem. Turklāt, jo vairāk biedrību veidosies, jo vairāk cilvēks varēs komunicēt par sevi.

Tomēr smadzenēs iestrādāts elektrods, pat ja tā diametrs ir 50 mikroni, ir pārāk neapstrādāts instruments, lai precīzi mērķētu uz konkrētu neironu. Smalkāka mijiedarbības metode ir optoģenētika, kas ietver nervu šūnu transformāciju ģenētiskā līmenī.

Ed Boyden un Karl Thessot, kuri sāka darbu Stenfordas universitātē, tiek uzskatīti par vienu no šī virziena pionieriem. Viņu ideja bija iedarboties uz neironiem, izmantojot miniatūras gaismas avotus. Šim nolūkam šūnas, protams, jāpadara gaismas jutīgas.

Tā kā fiziskas manipulācijas ar gaismas jutīgu proteīnu - opsīnu - pārstādīšanu atsevišķās šūnās ir gandrīz neiespējamas, pētnieki ieteica… inficēt neironus ar vīrusu. Tieši šis vīruss šūnu genomā ievadīs gēnu, kas sintezē gaismas jutīgu proteīnu.

Šai tehnoloģijai ir vairāki iespējamie lietojumi. Viens no tiem ir daļēja redzes atjaunošana acī ar bojātu tīkleni, atlikušajām nejutīgajām šūnām piešķirot gaismas jutīgas īpašības (ir veiksmīgi eksperimenti ar dzīvniekiem). Saņemot elektriskos signālus, ko izraisa krītošā gaisma, smadzenes drīz iemācīsies ar tiem strādāt un interpretēt tos kā attēlu, lai arī zemākas kvalitātes.

Vēl viena lietojumprogramma ir darbs ar neironiem tieši smadzenēs, izmantojot miniatūras gaismas vadotnes. Aktivizējot dažādus neironus dzīvnieku smadzenēs ar gaismas stara palīdzību, ir iespējams izsekot, kādas uzvedības reakcijas šie neironi izraisa. Turklāt "vieglai" iejaukšanās smadzenēs nākotnē var būt terapeitiska vērtība.