วิทยาศาสตร์กระแสหลักสมัยใหม่ตรวจสอบสมองอย่างไร?

2024 ผู้เขียน: Seth Attwood | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-16 16:17

เมื่อไม่นานมานี้ ตามมาตรฐานทางประวัติศาสตร์ สมองถูกเรียกว่า "กล่องดำ" ซึ่งเป็นกระบวนการภายในที่ยังคงเป็นปริศนา ความสำเร็จทางวิทยาศาสตร์ล่าสุดไม่อนุญาตให้เราประกาศสิ่งนี้อย่างเด็ดขาดอีกต่อไป อย่างไรก็ตาม ยังมีคำถามอีกมากมายมากกว่าคำตอบที่ชัดเจนในด้านการวิจัยสมอง

เป็นเรื่องยากอย่างยิ่งที่จะรับรู้ในระบบนี้ ซึ่งมีพารามิเตอร์เชิงตัวเลขของจักรวาลและเคลื่อนที่ตลอดเวลา ซึ่งเป็นกลไกที่อาจสัมพันธ์กับสิ่งที่เราเรียกว่าความทรงจำและการคิด บางครั้งคุณต้องเจาะเข้าไปในสมองโดยตรง ในความหมายทางกายภาพที่ตรงที่สุด

ไม่ว่าผู้พิทักษ์สัตว์ป่าจะพูดอะไรก็ตาม ยังไม่มีใครห้ามไม่ให้นักวิจัยทดลองสมองของลิงและหนู อย่างไรก็ตาม เมื่อพูดถึงสมองของมนุษย์ แน่นอนว่าเป็นสมองที่มีชีวิต การทดลองกับสมองนั้นแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยด้วยเหตุผลทางกฎหมายและจริยธรรม คุณสามารถเข้าไปใน "สสารสีเทา" ได้เท่านั้นอย่างที่พวกเขาพูดสำหรับ บริษัท ที่มียา

สายในหัวของฉัน

โอกาสหนึ่งที่นำเสนอต่อนักวิจัยสมองคือความจำเป็นในการผ่าตัดรักษาผู้ป่วยโรคลมบ้าหมูขั้นรุนแรงที่ไม่ตอบสนองต่อการรักษาด้วยยา สาเหตุของโรคคือพื้นที่ที่ได้รับผลกระทบของกลีบขมับมัธยฐาน เป็นพื้นที่เหล่านี้ที่ต้องลบออกโดยใช้วิธีการผ่าตัดทางระบบประสาท แต่ก่อนอื่นต้องระบุพื้นที่เหล่านี้เพื่อที่จะพูดไม่ใช่เพื่อ "ตัดส่วนเกิน"

ศัลยแพทย์ประสาทชาวอเมริกัน Yitzhak Fried จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย (ลอสแองเจลิส) เป็นหนึ่งในคนกลุ่มแรกๆ ที่ใช้เทคโนโลยีการใส่อิเล็กโทรดขนาด 1 มม. เข้าไปในเปลือกสมองโดยตรงในปี 1970 เมื่อเทียบกับขนาดของเซลล์ประสาท อิเล็กโทรดมีขนาดไซโคลเปียน แต่ถึงกระนั้นเครื่องมือที่หยาบเช่นนี้ก็เพียงพอที่จะขจัดสัญญาณไฟฟ้าโดยเฉลี่ยออกจากเซลล์ประสาทจำนวนหนึ่ง (จากหนึ่งพันถึงหนึ่งล้าน)

โดยหลักการแล้วมันเพียงพอที่จะบรรลุเป้าหมายทางการแพทย์อย่างหมดจด แต่ในบางช่วงก็ตัดสินใจที่จะปรับปรุงเครื่องมือนี้ ต่อจากนี้ไป อิเล็กโทรดมิลลิเมตรจะได้รับจุดสิ้นสุดในรูปแบบของการแตกแขนงของอิเล็กโทรดที่บางกว่าแปดอันที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 ไมโครเมตร

ทำให้สามารถเพิ่มความแม่นยำในการวัดได้จนถึงการตรึงสัญญาณจากกลุ่มเซลล์ประสาทที่มีขนาดค่อนข้างเล็ก นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาวิธีการเพื่อกรองสัญญาณที่ส่งจากเซลล์ประสาทเดียวในสมองออกจากสัญญาณรบกวน "รวม" ทั้งหมดนี้ไม่ได้ทำขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ทางการแพทย์ แต่เพื่อจุดประสงค์ทางวิทยาศาสตร์ล้วนๆ

ความยืดหยุ่นของสมองคืออะไร?

ความยืดหยุ่นของสมองคือความสามารถอันน่าทึ่งของอวัยวะในการคิดในการปรับตัวให้เข้ากับสถานการณ์ที่เปลี่ยนแปลงไป หากเราเรียนรู้ทักษะและฝึกสมองอย่างเข้มข้น จะเกิดความหนาขึ้นในบริเวณสมองที่รับผิดชอบทักษะนั้น เซลล์ประสาทที่อยู่ที่นั่นสร้างการเชื่อมต่อเพิ่มเติม รวบรวมทักษะที่ได้มาใหม่ ในกรณีที่เกิดความเสียหายต่อส่วนสำคัญของสมอง บางครั้งสมองจะพัฒนาศูนย์กลางที่สูญหายขึ้นใหม่ในบริเวณที่ไม่เสียหาย

เซลล์ประสาทที่มีชื่อ

วัตถุประสงค์ของการวิจัยคือคนที่รอการผ่าตัดสำหรับโรคลมบ้าหมู: ในขณะที่อิเล็กโทรดที่ฝังอยู่ในเปลือกสมองกำลังอ่านสัญญาณจากเซลล์ประสาทเพื่อกำหนดพื้นที่ของการแทรกแซงการผ่าตัดอย่างแม่นยำ การทดลองที่น่าสนใจมากได้ดำเนินการไปพร้อมกัน และนี่เป็นกรณีจริง ๆ เมื่อไอคอนของวัฒนธรรมป๊อป - ดาราฮอลลีวูดซึ่งมีประชากรส่วนใหญ่ในโลกจดจำภาพได้ง่าย นำประโยชน์ที่แท้จริงมาสู่วิทยาศาสตร์

Rodrigo Kian Quiroga เพื่อนร่วมงาน แพทย์ และนักประสาทวิทยาของ Yitzhak Frida ได้แสดงภาพที่เป็นที่รู้จักกันดีบนแล็ปท็อปของเขา ซึ่งรวมถึงบุคคลที่มีชื่อเสียงและโครงสร้างที่มีชื่อเสียง เช่น โรงอุปรากรซิดนีย์

เมื่อแสดงภาพเหล่านี้ จะเห็นกิจกรรมทางไฟฟ้าของเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์ในสมอง และภาพต่างๆ จะ "เปิด" เซลล์ประสาทต่างๆ ตัวอย่างเช่น มีการติดตั้ง "เซลล์ประสาทเจนนิเฟอร์ อนิสตัน" ซึ่ง "ยิง" เมื่อใดก็ตามที่ภาพของนักแสดงโรแมนติกคนนี้ปรากฏบนหน้าจอ ไม่ว่าภาพถ่ายของ Aniston จะแสดงต่อวัตถุอย่างไร เซลล์ประสาท "ชื่อของเธอ" ก็ไม่ล้มเหลว ยิ่งกว่านั้น มันยังทำงานเมื่อมีเฟรมจากละครทีวีชื่อดังปรากฏบนหน้าจอ ซึ่งนักแสดงนำแสดง แม้ว่าตัวเธอเองจะไม่อยู่ในเฟรมก็ตาม แต่เมื่อเห็นเด็กผู้หญิงที่ดูเหมือนเจนนิเฟอร์เท่านั้น เซลล์ประสาทก็เงียบ

เซลล์ประสาทที่ศึกษานั้นสัมพันธ์กับภาพลักษณ์แบบองค์รวมของนักแสดงหญิงคนหนึ่งอย่างแม่นยำและไม่ได้เกี่ยวข้องกับองค์ประกอบภายนอกของรูปลักษณ์หรือเสื้อผ้าของเธอเลย และการค้นพบนี้ให้เงื่อนงำในการทำความเข้าใจกลไกการจดจำระยะยาวในสมองของมนุษย์

สิ่งเดียวที่ขัดขวางไม่ให้เราก้าวไปข้างหน้าคือการพิจารณาด้านจริยธรรมและกฎหมายที่กล่าวไว้ข้างต้น นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถวางอิเล็กโทรดไว้ในส่วนอื่นๆ ของสมอง ยกเว้นส่วนที่อยู่ภายใต้การวิจัยก่อนการผ่าตัด และการศึกษาเองก็มีกรอบเวลาทางการแพทย์ที่จำกัด

สิ่งนี้ทำให้ยากมากที่จะหาคำตอบสำหรับคำถามที่ว่าเซลล์ประสาทของเจนนิเฟอร์ อนิสตัน หรือแบรด พิตต์ หรือหอไอเฟลมีอยู่จริง หรืออาจเป็นผลจากการวัด นักวิทยาศาสตร์บังเอิญไปเจอเซลล์เดียวจากทั้งเครือข่าย เชื่อมต่อซึ่งกันและกันโดยการเชื่อมต่อ synaptic ซึ่งรับผิดชอบในการรักษาหรือจดจำภาพบางภาพ

เล่นกับภาพ

อย่างไรก็ตาม การทดลองยังคงดำเนินต่อไป และ Moran Cerf ก็เข้าร่วมกับพวกเขาด้วย - บุคลิกที่หลากหลายอย่างยิ่ง เขาเป็นชาวอิสราเอลโดยกำเนิด เขาพยายามเป็นที่ปรึกษาทางธุรกิจ แฮ็กเกอร์ และในขณะเดียวกันก็เป็นผู้สอนความปลอดภัยคอมพิวเตอร์ ตลอดจนเป็นศิลปิน นักเขียนหนังสือการ์ตูน นักเขียนและนักดนตรี

เขาเป็นคนที่มีพรสวรรค์มากมายที่คู่ควรกับยุคเรเนสซองส์ที่รับหน้าที่สร้างส่วนต่อประสาน neuromachine บนพื้นฐานของเซลล์ประสาทของเจนนิเฟอร์อนิสตันและอื่น ๆ ครั้งนี้ผู้ป่วย 12 รายของศูนย์การแพทย์ตั้งชื่อตาม V. I. Ronald Reagan จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ในการศึกษาก่อนการผ่าตัด มีการใส่อิเล็กโทรด 64 ตัวเข้าไปในบริเวณของกลีบขมับมัธยฐาน การทดลองเริ่มต้นขึ้นพร้อมกัน

การพัฒนาวิทยาศาสตร์ของกิจกรรมประสาทที่สูงขึ้นสัญญาถึงโอกาสที่เหลือเชื่อ: ผู้คนจะสามารถเข้าใจตนเองได้ดีขึ้นและรับมือกับความเจ็บป่วยที่รักษาไม่หายในขณะนี้ ด้านศีลธรรมและกฎหมายของการทดลองในสมองมนุษย์ที่มีชีวิตยังคงเป็นปัญหา

ผู้คนได้แสดงภาพธีมวัฒนธรรมป๊อป 110 ภาพเป็นครั้งแรก อันเป็นผลมาจากรอบแรกนี้ มีการเลือกรูปภาพสี่ภาพเมื่อพบว่าการกระตุ้นของเซลล์ประสาทในส่วนต่าง ๆ ของพื้นที่ที่ศึกษาของเยื่อหุ้มสมองได้รับการบันทึกอย่างชัดเจนในกลุ่มตัวอย่างทั้งหมด จากนั้น มีการแสดงภาพสองภาพพร้อมกันบนหน้าจอ โดยซ้อนทับกัน และแต่ละภาพมีความโปร่งใส 50% กล่าวคือ ภาพเหล่านั้นส่องผ่านกันและกัน

ตัวแบบถูกขอให้เพิ่มความสว่างทางจิตใจของหนึ่งในสองภาพ เพื่อที่เขาจะได้ปิดบัง "คู่แข่ง" ของเขา ในกรณีนี้ เซลล์ประสาทที่รับผิดชอบภาพที่เน้นความสนใจของผู้ป่วยทำให้เกิดสัญญาณไฟฟ้าที่แรงกว่าเซลล์ประสาทที่เกี่ยวข้องกับภาพที่สอง พัลส์ได้รับการแก้ไขโดยอิเล็กโทรด เข้าไปในตัวถอดรหัส และเปลี่ยนเป็นสัญญาณที่ควบคุมความสว่าง (หรือความโปร่งใส) ของภาพ

ดังนั้น งานแห่งความคิดจึงเพียงพอแล้วสำหรับภาพหนึ่งที่จะเริ่มต้น "ตอกย้ำ" อีกภาพหนึ่งเมื่ออาสาสมัครถูกขอให้ไม่เพิ่มความเข้มข้น แต่ในทางกลับกัน เพื่อให้ภาพหนึ่งในสองภาพมีสีซีดจางลง การเชื่อมโยงระหว่างสมองกับคอมพิวเตอร์ก็ใช้ได้อีกครั้ง

หัวเบา

เกมที่น่าตื่นเต้นนี้คุ้มค่าหรือไม่ที่จะต้องทดลองกับผู้คนที่มีชีวิต โดยเฉพาะอย่างยิ่งผู้ที่มีปัญหาสุขภาพร้ายแรง ตามที่ผู้เขียนของโครงการกล่าวว่ามันคุ้มค่าเพราะนักวิจัยไม่เพียง แต่ตอบสนองความสนใจทางวิทยาศาสตร์ของพวกเขาในธรรมชาติพื้นฐาน แต่ยังคลำหาแนวทางในการแก้ปัญหาที่ค่อนข้างประยุกต์

หากมีเซลล์ประสาท (หรือกลุ่มเซลล์ประสาท) ในสมองที่ตื่นเต้นเมื่อเห็นเจนนิเฟอร์ อนิสตัน ก็จะต้องมีเซลล์สมองที่รับผิดชอบแนวคิดและภาพที่มีความสำคัญต่อชีวิตมากกว่า ในกรณีที่ผู้ป่วยไม่สามารถพูดหรือส่งสัญญาณปัญหาและความต้องการของเขาด้วยท่าทางสัมผัส การเชื่อมต่อโดยตรงกับสมองจะช่วยให้แพทย์เรียนรู้เกี่ยวกับความต้องการของผู้ป่วยจากเซลล์ประสาท ยิ่งมีการจัดตั้งสมาคมมากเท่าไร บุคคลก็จะยิ่งสามารถสื่อสารเกี่ยวกับตนเองได้มากเท่านั้น

อย่างไรก็ตาม อิเล็กโทรดที่ฝังอยู่ในสมอง แม้ว่าจะมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 ไมครอน แต่ก็เป็นเครื่องมือที่หยาบเกินไปที่จะกำหนดเป้าหมายเซลล์ประสาทที่เฉพาะเจาะจงได้อย่างแม่นยำ วิธีการปฏิสัมพันธ์ที่ละเอียดอ่อนกว่านั้นคือออพโตเจเนติกส์ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของเซลล์ประสาทในระดับพันธุกรรม

Ed Boyden และ Karl Thessot ซึ่งเริ่มทำงานที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ถือว่าเป็นหนึ่งในผู้บุกเบิกทิศทางนี้ ความคิดของพวกเขาคือการดำเนินการกับเซลล์ประสาทโดยใช้แหล่งกำเนิดแสงขนาดเล็ก สำหรับสิ่งนี้ แน่นอนว่าเซลล์จะต้องไวต่อแสง

เนื่องจากการปรับเปลี่ยนทางกายภาพของการย้ายโปรตีนที่ไวต่อแสง - opsins - ไปยังเซลล์แต่ละเซลล์นั้นแทบจะเป็นไปไม่ได้เลย นักวิจัยแนะนำ … ทำให้เซลล์ประสาทติดไวรัส เป็นไวรัสที่จะแนะนำยีนที่สังเคราะห์โปรตีนที่ไวต่อแสงเข้าไปในจีโนมของเซลล์

เทคโนโลยีนี้มีศักยภาพในการใช้งานหลายอย่าง หนึ่งในนั้นคือการฟื้นฟูการมองเห็นบางส่วนในดวงตาด้วยเรตินาที่เสียหายโดยการให้คุณสมบัติที่ไวต่อแสงแก่เซลล์ที่ไม่ไวต่อแสงที่เหลืออยู่ (มีการทดลองกับสัตว์ที่ประสบความสำเร็จ) เมื่อรับสัญญาณไฟฟ้าที่เกิดจากแสงตกกระทบ ในไม่ช้าสมองก็จะเรียนรู้ที่จะทำงานร่วมกับพวกมันและตีความว่าเป็นภาพ แม้ว่าจะมีคุณภาพด้อยกว่า

แอปพลิเคชั่นอื่นทำงานกับเซลล์ประสาทโดยตรงในสมองโดยใช้ไฟนำทางขนาดเล็ก โดยการกระตุ้นเซลล์ประสาทต่างๆ ในสมองของสัตว์ด้วยความช่วยเหลือของลำแสง เป็นไปได้ที่จะติดตามว่าการตอบสนองทางพฤติกรรมใดที่เซลล์ประสาทเหล่านี้ก่อให้เกิด นอกจากนี้ การแทรกแซงของ "แสง" ในสมองอาจมีคุณค่าทางการรักษาในอนาคต