Kuidas kaasaegne peavooluteadus aju uurib?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-16 16:03

Mitte nii kaua aega tagasi räägiti ajust ajalooliste standardite järgi kui "mustast kastist", mille sees toimuvad protsessid jäid saladuseks. Viimase aja teadussaavutused ei luba enam seda nii kategooriliselt deklareerida. Küsimusi on aga aju-uuringute vallas endiselt palju rohkem kui ühemõttelisi vastuseid.

Selles kosmiliste numbriliste parameetritega ja pidevas liikumises süsteemis on äärmiselt raske ära tunda mehhanisme, mida võiks korreleerida sellega, mida me nimetame mäluks ja mõtlemiseks. Mõnikord peate selleks tungima otse ajju. Kõige otsesemas füüsilises mõttes.

Mida iganes eluslooduse kaitsjad ka ei räägiks, pole keegi veel keelanud teadlastel katsetada ahvide ja rottide ajudega. Kui aga rääkida inimajust – loomulikult elavast ajust –, on sellega katsetamine seaduslikel ja eetilistel põhjustel praktiliselt võimatu. "Halli ainesse" pääseb ainult, nagu öeldakse, ravimifirma jaoks.

Juhtmed peas

Üks selline aju-uurijatele pakutud võimalus oli vajadus raskete epilepsiajuhtude kirurgilise ravi järele, mis ei allu ravimteraapiale. Haiguse põhjuseks on keskmise temporaalsagara kahjustatud piirkonnad. Just need piirkonnad tuleb neurokirurgia meetoditega eemaldada, kuid ennekõike tuleb need välja selgitada, et nii-öelda mitte "ülejääki ära lõigata".

Ameerika neurokirurg Yitzhak Fried California ülikoolist (Los Angeles) oli üks esimesi, kes rakendas juba 1970. aastatel 1 mm elektroodide otse ajukooresse sisestamise tehnoloogiat. Võrreldes närvirakkude suurusega olid elektroodid tsükloope mõõtmetega, kuid isegi sellisest toorest instrumendist piisas, et eemaldada paljudelt neuronitelt keskmine elektrisignaal (tuhandest miljonini).

Põhimõtteliselt piisas sellest puhtalt meditsiiniliste eesmärkide saavutamiseks, kuid mingil etapil otsustati instrumenti täiustada. Edaspidi sai millimeeterelektrood otsa kaheksa õhema, 50 μm läbimõõduga elektroodi hargnemise näol.

See võimaldas suurendada mõõtmiste täpsust kuni signaali fikseerimiseni suhteliselt väikestest neuronirühmadest. Samuti on välja töötatud meetodid aju ühest närvirakust saadetud signaali filtreerimiseks "kollektiivsest" mürast. Seda kõike tehti mitte meditsiinilistel, vaid puhtalt teaduslikel eesmärkidel.

Mis on aju plastilisus?

Aju plastilisus on meie mõtlemisorgani hämmastav võime kohaneda muutuvate oludega. Kui õpime mõnda oskust ja treenime aju intensiivselt, tekib selle oskuse eest vastutavas aju piirkonnas paksenemine. Seal asuvad neuronid loovad lisaühendusi, kinnistades äsja omandatud oskusi. Aju elutähtsa osa kahjustuse korral arendab aju mõnikord uuesti välja intaktses piirkonnas kadunud keskused.

Nimetatud neuronid

Uurimisobjektideks olid inimesed, kes ootasid epilepsia operatsiooni: kui ajukoores olevad elektroodid lugesid neuronite signaale, et määrata täpselt kirurgilise sekkumise piirkond, viidi selle käigus läbi väga huvitavaid katseid. Ja see juhtus just siis, kui popkultuuri ikoonid - Hollywoodi staarid, kelle pildid on enamikule maailma elanikkonnast kergesti äratuntavad, tõid teadusele tõelist kasu.

Yitzhak Frida töökaaslane, arst ja neurofüsioloog Rodrigo Kian Quiroga näitas katsealustele oma sülearvutis valikut tuntud visuaale, sealhulgas populaarseid isiksusi ja kuulsaid struktuure, nagu Sydney ooperimaja.

Kui neid pilte näidati, täheldati ajus üksikute neuronite elektrilist aktiivsust ja erinevad pildid "lülitasid sisse" erinevad närvirakud. Näiteks paigaldati "Jennifer Anistoni neuron", mis "tulistas" alati, kui ekraanile ilmus selle romantilise näitlejanna portree. Ükskõik, millist fotot Anistonile katsealusele näidati, neuron "tema nimi" ei ebaõnnestunud. Pealegi töötas see ka siis, kui ekraanile ilmusid kuulsa telesarja kaadrid, milles näitlejanna peaosas oli, isegi kui ta ise kaadris polnud. Kuid neid tüdrukuid nähes, kes nägid välja ainult Jenniferi moodi, vaikis neuron.

Uuritud närvirakk, nagu selgus, oli seotud just konkreetse näitlejanna tervikliku kuvandiga, mitte aga tema välimuse või riietuse üksikute elementidega. Ja see avastus andis kui mitte võtme, siis vihje inimese aju pikaajalise mälu säilitamise mehhanismide mõistmiseks.

Ainus, mis meid edasi liikumast takistas, olid eetika- ja õiguskaalutlused, millest eespool juttu oli. Teadlased ei saanud asetada elektroode teistesse ajupiirkondadesse, välja arvatud need, mis allutati operatsioonieelsele uuringule, ja uuringul endal oli piiratud meditsiiniline ajaraam.

See muutis väga keeruliseks vastuse leidmise küsimusele, kas Jennifer Anistoni või Brad Pitti neuron või Eiffeli torn on tõesti olemas või sattusid teadlased mõõtmiste tulemusena kogemata tervest võrgust vaid ühele rakule. omavahel seotud sünaptiliste ühendustega, mis vastutab teatud kujutise säilimise või äratundmise eest.

Piltidega mängimine

Olgu kuidas on, eksperimendid jätkusid ja nendega ühines Moran Cerf – ülimalt mitmekülgne isiksus. Sünnilt Iisraeli päritolu, proovis ta end ärikonsultandina, häkkerina ja samal ajal arvutiturbe instruktorina, aga ka kunstnikuna ja koomiksikirjaniku, kirjaniku ja muusikuna.

Just see renessansiajastu väärilise talentide spektriga mees asus looma Jennifer Anistoni neuroni ja muu sarnase baasil omamoodi neuromasina liidese. Seekord osales V. I.-nimelise meditsiinikeskuse 12 patsienti. Ronald Reagan California ülikoolis. Preoperatiivsete uuringute käigus sisestati keskmise temporaalsagara piirkonda 64 eraldi elektroodi. Paralleelselt algasid katsed.

Kõrgema närvitegevuse teaduste areng tõotab uskumatuid väljavaateid: inimesed suudavad ennast paremini mõista ja toime tulla praegu ravimatute vaevustega. Elava inimajuga tehtud katsete moraalne ja juriidiline pool on endiselt probleem.

Rahvale näidati esmalt 110 pilti popkultuuri teemadel. Selle esimese vooru tulemusena valiti välja neli pilti, mille nägemisel registreeriti selgelt terve kümnendiku puhul neuronite ergastus ajukoore uuritava piirkonna erinevates osades. Seejärel kuvati ekraanil korraga kaks pilti, mis olid üksteise peale asetatud ja mõlemal oli 50% läbipaistvus, see tähendab, et pildid paistsid üksteisest läbi.

Katsealusel paluti vaimselt suurendada kahest kujutisest ühe heledust, nii et ta varjas oma "rivaali". Sel juhul tekitas pildi eest vastutav neuron, millele patsiendi tähelepanu keskendus, tugevama elektrisignaali kui teise pildiga seotud neuron. Impulsid fikseeriti elektroodidega, sisestati dekoodrisse ja muudeti signaaliks, mis kontrollib pildi heledust (või läbipaistvust).

Seega oli mõttetöö täiesti piisav, et üks pilt hakkaks teist “vasardama”. Kui katsealustel paluti mitte intensiivistada, vaid vastupidi, muuta üks kahest pildist kahvatumaks, siis aju-arvuti link jälle töötas.

Hele pea

Kas see põnev mäng oli väärt vajadust teha katseid elusate inimestega, eriti tõsiste terviseprobleemidega? Projekti autorite sõnul oli see seda väärt, sest teadlased mitte ainult ei rahuldanud oma fundamentaalseid teadushuve, vaid kobasid ka lähenemisi üsna rakenduslike probleemide lahendamiseks.

Kui ajus on neuroneid (või neuronite kimpu), mis Jennifer Anistoni nähes erutuvad, siis peavad olema ajurakud, mis vastutavad eluks olulisemate mõistete ja kujundite eest. Juhtudel, kui patsient ei saa rääkida või oma probleemidest ja vajadustest žestidega märku anda, aitab otsene ühendus ajuga arstidel neuronitest patsiendi vajadusi tundma õppida. Veelgi enam, mida rohkem ühendusi luuakse, seda rohkem suudab inimene enda kohta suhelda.

Kuid ajju paigaldatud elektrood, isegi kui selle läbimõõt on 50 mikronit, on konkreetse neuroni täpseks sihtimiseks liiga töötlemata tööriist. Peenem interaktsiooni meetod on optogeneetika, mis hõlmab närvirakkude transformatsiooni geneetilisel tasandil.

Ed Boydenit ja Karl Thessot, kes alustasid tööd Stanfordi ülikoolis, peetakse selle suuna pioneerideks. Nende idee oli toimida neuronitele miniatuursete valgusallikate abil. Selleks tuleb rakud loomulikult valgustundlikuks teha.

Kuna füüsilised manipulatsioonid valgustundlike valkude – opsiinide – siirdamisel üksikutesse rakkudesse on peaaegu võimatud, soovitasid teadlased … nakatada neuroneid viirusega. Just see viirus viib rakkude genoomi geeni, mis sünteesib valgustundlikku valku.

Sellel tehnoloogial on mitmeid kasutusvõimalusi. Üks neist on nägemise osaline taastamine kahjustatud võrkkestaga silmas, andes ülejäänud mittevalgustundlikele rakkudele valgustundlikud omadused (loomadel on tehtud edukaid katseid). Langeva valguse põhjustatud elektrisignaale vastu võttes õpib aju peagi nendega töötama ja tõlgendama neid kujutisena, kuigi kehvema kvaliteediga.

Teine rakendus töötab otse ajus olevate neuronitega, kasutades miniatuurseid valgusjuhte. Loomade ajus erinevaid neuroneid valguskiire abil aktiveerides on võimalik jälgida, milliseid käitumisreaktsioone need neuronid tekitavad. Lisaks võib "kerge" sekkumine ajusse omada tulevikus terapeutilist väärtust.