Modern ana akım bilim beyni nasıl araştırıyor?

2024 Yazar: Seth Attwood | [email protected]. Son düzenleme: 2023-12-16 16:18

Çok uzun zaman önce, tarihsel standartlara göre, beyin, içindeki süreçler bir gizem olarak kalan bir "kara kutu" olarak konuşuldu. Son bilimsel başarılar artık bunu bu kadar kategorik olarak ilan etmemize izin vermiyor. Bununla birlikte, beyin araştırmaları alanında hala net cevaplardan çok daha fazla soru var.

Kozmik sayısal parametrelere sahip ve sürekli hareket halinde olan bu sistemde, hafıza ve düşünme dediğimiz şeyle ilişkilendirilebilecek mekanizmaları tanımak son derece zordur. Bazen bunun için doğrudan beyne nüfuz etmeniz gerekir. En doğrudan fiziksel anlamda.

Yaban hayatı savunucuları ne derse desin, araştırmacıların maymunların ve farelerin beyinleri üzerinde deney yapmalarını henüz kimse yasaklamadı. Ancak, iş insan beynine gelince - tabii ki yaşayan bir beyin - üzerinde deneyler yapmak hukuk ve etik nedenlerle pratik olarak imkansızdır. "Gri maddeye" ancak dedikleri gibi, ilaçlı şirket için girebilirsiniz.

kafamdaki teller

Beyin araştırmacılarına sunulan böyle bir fırsat, ilaç tedavisine yanıt vermeyen ciddi epilepsi vakalarının cerrahi tedavisine duyulan ihtiyaçtı. Hastalığın nedeni, medyan temporal lobun etkilenen bölgeleridir. Nöroşirürji yöntemleri kullanılarak çıkarılması gereken bu alanlardır, ancak her şeyden önce, “fazlalığı kesmemek” için, tabiri caizse, tanımlanması gerekir.

California Üniversitesi'nden (Los Angeles) Amerikalı beyin cerrahı Yitzhak Fried, 1970'lerde 1 mm elektrotları doğrudan beyin korteksine yerleştirme teknolojisini ilk uygulayanlardan biriydi. Sinir hücrelerinin boyutlarıyla karşılaştırıldığında, elektrotlar siklopean boyutlara sahipti, ancak böyle kaba bir alet bile bir dizi nörondan (binden bir milyona) ortalama elektrik sinyalini çıkarmak için yeterliydi.

Prensip olarak, bu tamamen tıbbi hedeflere ulaşmak için yeterliydi, ancak bir aşamada enstrümanın iyileştirilmesine karar verildi. Şu andan itibaren, milimetre elektrot, 50 μm çapında sekiz daha ince elektrottan oluşan bir dallanma şeklinde bir son aldı.

Bu, nispeten küçük nöron gruplarından gelen sinyalin sabitlenmesine kadar ölçümlerin doğruluğunu artırmayı mümkün kıldı. Beyindeki tek bir sinir hücresinden gönderilen sinyali "kolektif" gürültüden filtrelemek için yöntemler de geliştirilmiştir. Bütün bunlar tıbbi amaçlar için değil, tamamen bilimsel amaçlar için yapıldı.

Beyin plastisitesi nedir?

Beynin plastisitesi, düşünme organımızın değişen koşullara uyum sağlamadaki inanılmaz yeteneğidir. Bir beceri öğrenip beyni yoğun bir şekilde çalıştırırsak, beynin o beceriden sorumlu bölgesinde bir kalınlaşma ortaya çıkar. Orada bulunan nöronlar, yeni edinilen becerileri pekiştirerek ek bağlantılar oluşturur. Beynin hayati bir bölümünün hasar görmesi durumunda, beyin bazen bozulmamış bölgedeki kayıp merkezleri yeniden geliştirir.

adlandırılmış nöronlar

Araştırmanın nesneleri epilepsi ameliyatı bekleyen insanlardı: serebral kortekse gömülü elektrotlar, cerrahi müdahale alanını doğru bir şekilde belirlemek için nöronlardan gelen sinyalleri okurken, yol boyunca çok ilginç deneyler yapıldı. Ve bu, görüntüleri dünya nüfusunun çoğunluğu tarafından kolayca tanınan Hollywood yıldızları olan pop kültürünün simgelerinin bilime gerçek faydalar sağladığı zamandı.

Yitzhak Frida'nın meslektaşı, doktor ve nörofizyolog Rodrigo Kian Quiroga, deneklere popüler kişilikler ve Sidney Opera Binası gibi ünlü yapılar da dahil olmak üzere tanınmış görsellerden oluşan bir seçkiyi dizüstü bilgisayarında gösterdi.

Bu resimler gösterildiğinde, beyindeki tek tek nöronların elektriksel aktivitesi gözlemlendi ve farklı görüntüler farklı sinir hücrelerini “açtı”. Örneğin, ekranda bu romantik aktrisin bir portresi göründüğünde “ateşlenen” bir “Jennifer Aniston nöronu” kuruldu. Aniston'ın konuya gösterdiği fotoğraf ne olursa olsun, nöron "onun adı" başarısız olmadı. Ayrıca, kendisi çerçevede olmasa bile, aktrisin rol aldığı ekranda ünlü TV dizisinden kareler göründüğünde de işe yaradı. Ama sadece Jennifer'a benzeyen kızları görünce, nöron sessizdi.

Çalışılan sinir hücresi, ortaya çıktığı gibi, tam olarak belirli bir aktrisin bütünsel görüntüsü ile ilişkilendirildi ve görünüşünün veya kıyafetlerinin bireysel unsurlarıyla değil. Ve bu keşif, bir anahtar değilse de, insan beynindeki uzun süreli hafıza tutma mekanizmalarını anlamak için bir ipucu sağladı.

İlerlememizi engelleyen tek şey, yukarıda bahsedilen etik ve hukuk düşünceleriydi. Bilim adamları, elektrotları ameliyat öncesi araştırmaya tabi tutulanlar dışında beynin diğer bölgelerine yerleştiremediler ve çalışmanın kendisinin sınırlı bir tıbbi zaman çerçevesi vardı.

Bu, Jennifer Aniston'ın veya Brad Pitt'in veya Eyfel Kulesi'nin nöronunun gerçekten var olup olmadığı veya belki de ölçümler sonucunda bilim adamlarının yanlışlıkla tüm ağdan sadece bir hücreye rastladığı sorusuna cevap bulmayı çok zorlaştırdı. belirli bir görüntünün korunmasından veya tanınmasından sorumlu olan sinaptik bağlantılarla birbirleriyle bağlantılıdır.

resimlerle oynamak

Her ne olursa olsun deneyler devam etti ve son derece çok yönlü bir kişilik olan Moran Cerf onlara katıldı. Doğuştan İsrailli, kendini bir iş danışmanı, bilgisayar korsanı ve aynı zamanda bir bilgisayar güvenliği eğitmeni, bir sanatçı ve çizgi roman yazarı, yazar ve müzisyen olarak denedi.

Jennifer Aniston nöronu ve benzerleri temelinde bir tür nöromakine arayüzü yaratmayı üstlenen Rönesans'a layık bir yetenek yelpazesine sahip bu adamdı. Bu kez Tıp Merkezi'nin 12 hastası V. I. Kaliforniya Üniversitesi'nden Ronald Reagan. Preoperatif çalışmalar sırasında median temporal lob bölgesine 64 ayrı elektrot yerleştirildi. Paralel olarak deneyler başladı.

Daha yüksek sinir aktivitesi bilimlerinin gelişimi inanılmaz umutlar vaat ediyor: insanlar kendilerini daha iyi anlayabilecek ve artık tedavi edilemez rahatsızlıklarla başa çıkabilecekler. Canlı bir insan beyni üzerinde yapılan deneylerin ahlaki ve yasal yönü bir sorun olmaya devam ediyor.

İnsanlara ilk olarak pop kültür temalarının 110 resmi gösterildi. Bu ilk turun bir sonucu olarak, korteksin çalışılan alanının farklı bölümlerindeki nöronların uyarılmasının tüm düzine deneklerde açıkça kaydedildiği bakışta dört resim seçildi. Ardından, ekranda aynı anda iki görüntü birbiri üzerine bindirilmiş olarak görüntülendi ve her biri %50 şeffaflığa sahipti, yani görüntüler birbirinin içinden parlıyordu.

Konudan iki görüntüden birinin parlaklığını zihinsel olarak artırması istendi, böylece "rakibini" gizledi. Bu durumda, hastanın dikkatinin odaklandığı görüntüden sorumlu nöron, ikinci görüntüyle ilişkili nörondan daha güçlü bir elektrik sinyali üretti. Darbeler elektrotlarla sabitlendi, kod çözücüye girdi ve görüntünün parlaklığını (veya şeffaflığını) kontrol eden bir sinyale dönüştü.

Böylece, düşünce çalışması, bir resmin diğerini "çekmeye" başlaması için oldukça yeterliydi. Deneklerden yoğunlaştırmamaları, aksine iki görüntüden birini daha soluk yapmaları istendiğinde, beyin-bilgisayar bağlantısı tekrar çalıştı.

hafif kafa

Bu heyecan verici oyun, özellikle ciddi sağlık sorunları olan canlılar üzerinde deneyler yapmaya değdi mi? Projenin yazarlarına göre buna değdi, çünkü araştırmacılar yalnızca temel nitelikteki bilimsel çıkarlarını tatmin etmekle kalmadı, aynı zamanda oldukça uygulamalı problemleri çözme yaklaşımlarını da aradılar.

Beyinde Jennifer Aniston'ı görünce heyecanlanan nöronlar (veya nöron demetleri) varsa, o zaman yaşam için daha gerekli olan kavram ve görüntülerden sorumlu beyin hücreleri olmalıdır. Hastanın konuşamadığı veya problemlerini ve ihtiyaçlarını jestlerle ifade edemediği durumlarda, beyne doğrudan bağlantı, doktorların hastanın ihtiyaçlarını nöronlardan öğrenmesine yardımcı olacaktır. Ayrıca, ne kadar çok dernek kurulursa, kişi kendisi hakkında o kadar çok iletişim kurabilecektir.

Bununla birlikte, beyne gömülü bir elektrot, çapı 50 mikron olsa bile, belirli bir nöronu doğru bir şekilde hedeflemek için çok kaba bir araçtır. Daha ince bir etkileşim yöntemi, sinir hücrelerinin genetik düzeyde dönüşümünü içeren optogenetiktir.

Çalışmalarına Stanford Üniversitesi'nde başlayan Ed Boyden ve Karl Thessot, bu yönün öncüleri arasında sayılıyor. Fikirleri, minyatür ışık kaynakları kullanarak nöronlar üzerinde hareket etmekti. Bunun için hücrelerin elbette ışığa duyarlı hale getirilmesi gerekir.

Işığa duyarlı proteinlerin - opsinlerin - tek tek hücrelere nakledilmesinin fiziksel manipülasyonları neredeyse imkansız olduğundan, araştırmacılar … nöronları bir virüsle enfekte etmeyi önerdiler. Işığa duyarlı bir proteini sentezleyen bir geni hücrelerin genomuna sokacak olan bu virüstür.

Bu teknolojinin çeşitli potansiyel kullanımları vardır. Bunlardan biri, geri kalan ışığa duyarlı olmayan hücrelere ışığa duyarlı özellikler kazandırarak, retinası hasarlı bir gözde görmenin kısmi restorasyonudur (hayvanlar üzerinde başarılı deneyler vardır). Gelen ışığın neden olduğu elektrik sinyallerini alan beyin, kısa sürede bunlarla çalışmayı ve düşük kalitede de olsa bir görüntü olarak yorumlamayı öğrenecektir.

Başka bir uygulama, minyatür ışık kılavuzları kullanarak doğrudan beyindeki nöronlarla çalışmaktır. Bir ışık huzmesi yardımıyla hayvanların beyinlerindeki farklı nöronları aktive ederek, bu nöronların hangi davranışsal tepkilere yol açtığını izlemek mümkündür. Ayrıca beyine yapılan "hafif" müdahalenin gelecekte tedavi edici değeri olabilir.