Ako moderná mainstreamová veda skúma mozog?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

Nie je to tak dávno, čo sa podľa historických štandardov o mozgu hovorilo ako o „čiernej skrinke“, ktorej procesy zostali záhadou. Nedávne vedecké úspechy nám už neumožňujú deklarovať to tak kategoricky. V oblasti výskumu mozgu je však stále oveľa viac otázok ako jednoznačných odpovedí.

V tomto systéme, ktorý má kozmické číselné parametre a je v neustálom pohybe, je mimoriadne ťažké rozpoznať mechanizmy, ktoré by mohli korelovať s tým, čo nazývame pamäť a myslenie. Niekedy na to musíte preniknúť priamo do mozgu. V najpriamejšom fyzickom zmysle.

Nech už ochrancovia divokej prírody hovoria čokoľvek, výskumníkom zatiaľ nikto nezakázal experimentovať na mozgoch opíc a potkanov. Pokiaľ však ide o ľudský mozog – samozrejme, živý mozog – experimenty na ňom sú z právnych a etických dôvodov prakticky nemožné. Do „šedej hmoty“sa dostanete len, ako sa hovorí, pre spoločnosť s liekmi.

Drôty v mojej hlave

Jednou z takýchto príležitostí pre výskumníkov mozgu bola potreba chirurgickej liečby závažných prípadov epilepsie, ktoré nereagujú na medikamentóznu terapiu. Príčinou ochorenia sú postihnuté oblasti stredného temporálneho laloku. Práve tieto oblasti je potrebné pomocou neurochirurgických metód odstrániť, ale predovšetkým identifikovať, aby sme takpovediac „neodrezali prebytok“.

Americký neurochirurg Yitzhak Fried z Kalifornskej univerzity (Los Angeles) ako jeden z prvých aplikoval v sedemdesiatych rokoch minulého storočia technológiu zavádzania 1 mm elektród priamo do mozgovej kôry. Elektródy mali v porovnaní s veľkosťou nervových buniek kyklopské rozmery, ale aj takýto hrubý prístroj stačil na odstránenie priemerného elektrického signálu z množstva neurónov (od tisíc do milióna).

V zásade to stačilo na dosiahnutie čisto medicínskych cieľov, ale v určitej fáze sa rozhodlo o zlepšení nástroja. Odteraz dostala milimetrová elektróda koniec v podobe rozvetvenia ôsmich tenších elektród s priemerom 50 μm.

To umožnilo zvýšiť presnosť meraní až po fixáciu signálu z relatívne malých skupín neurónov. Boli vyvinuté aj metódy na odfiltrovanie signálu vyslaného z jednej nervovej bunky v mozgu od „kolektívneho“šumu. To všetko sa nerobilo na lekárske účely, ale na čisto vedecké účely.

Čo je plasticita mozgu?

Plasticita mozgu je úžasná schopnosť nášho orgánu myslenia prispôsobiť sa meniacim sa okolnostiam. Ak sa naučíme nejakú zručnosť a intenzívne trénujeme mozog, objaví sa zhrubnutie v oblasti mozgu zodpovednej za túto zručnosť. Neuróny, ktoré sa tam nachádzajú, vytvárajú ďalšie spojenia a upevňujú novonadobudnuté zručnosti. V prípade poškodenia životne dôležitej časti mozgu mozog niekedy znovu rozvinie stratené centrá v neporušenej oblasti.

Pomenované neuróny

Predmetom výskumu boli ľudia, ktorí čakali na operáciu epilepsie: zatiaľ čo elektródy vložené do mozgovej kôry čítali signály z neurónov, aby presne určili oblasť chirurgického zásahu, popri tom sa uskutočnili veľmi zaujímavé experimenty. A to bol práve ten prípad, keď ikony popkultúry – hollywoodske hviezdy, ktorých obrazy ľahko spozná väčšina svetovej populácie, priniesli pre vedu skutočné výhody.

Spolupracovník Yitzhak Frida, lekár a neurofyziológ Rodrigo Kian Quiroga, ukázal subjektom na svojom notebooku výber známych vizuálov, vrátane populárnych osobností a slávnych stavieb, ako je napríklad Opera v Sydney.

Keď sa tieto obrázky ukázali, v mozgu bola pozorovaná elektrická aktivita jednotlivých neurónov a rôzne obrázky „zapínali“rôzne nervové bunky. Napríklad bol nainštalovaný „neurón Jennifer Aniston“, ktorý „vystrelil“vždy, keď sa na obrazovke objavil portrét tejto romantickej herečky. Bez ohľadu na fotografiu, ktorú Aniston ukázal subjektu, neurón „jej meno“nezlyhal. Navyše to fungovalo aj vtedy, keď sa na obrazovke objavili snímky zo slávneho televízneho seriálu, v ktorom herečka hrala, aj keď ona sama v zábere nebola. Ale pri pohľade na dievčatá, ktoré vyzerali len ako Jennifer, neurón mlčal.

Študovaná nervová bunka, ako sa ukázalo, bola spojená práve s holistickým obrazom konkrétnej herečky a vôbec nie s jednotlivými prvkami jej vzhľadu alebo oblečenia. A tento objav poskytol, ak nie kľúč, tak kľúč k pochopeniu mechanizmov uchovania dlhodobej pamäti v ľudskom mozgu.

Jediné, čo nám bránilo posunúť sa vpred, boli samotné úvahy o etike a práve, ktoré boli spomenuté vyššie. Vedci nemohli umiestniť elektródy do žiadnych iných oblastí mozgu, okrem tých, ktoré boli podrobené predoperačnému výskumu a samotná štúdia mala obmedzený medicínsky časový rámec.

Preto bolo veľmi ťažké nájsť odpoveď na otázku, či neurón Jennifer Aniston, alebo Brada Pitta alebo Eiffelova veža skutočne existuje, alebo možno v dôsledku meraní vedci náhodne narazili iba na jednu bunku z celej siete. navzájom prepojené synaptickými spojeniami, ktoré sú zodpovedné za zachovanie alebo rozpoznanie určitého obrazu.

Hranie sa s obrázkami

Nech je to akokoľvek, experimenty pokračovali a pridal sa k nim Moran Cerf – mimoriadne všestranná osobnosť. Pôvodne Izraelčan, vyskúšal sa ako obchodný poradca, hacker a zároveň inštruktor počítačovej bezpečnosti, ako aj výtvarník a autor komiksov, spisovateľ a hudobník.

Práve tento muž so spektrom talentov hodných renesancie sa podujal na vytvorenie akéhosi neuromachine interface na báze neurónu Jennifer Aniston a podobne. Tentokrát 12 pacientov Medical Center pomenovaných po V. I. Ronald Reagan z Kalifornskej univerzity. V priebehu predoperačných štúdií bolo do oblasti stredného temporálneho laloka zavedených 64 samostatných elektród. Paralelne sa začali experimenty.

Rozvoj vied o vyššej nervovej aktivite sľubuje neuveriteľné vyhliadky: ľudia budú schopní lepšie porozumieť sebe a vyrovnať sa s teraz nevyliečiteľnými chorobami. Problémom zostáva morálna a právna stránka experimentov na živom ľudskom mozgu.

Ľuďom najprv ukázali 110 obrázkov s témami popkultúry. V dôsledku tohto prvého kola boli vybrané štyri obrázky, pri pohľade ktorých bola excitácia neurónov v rôznych častiach študovanej oblasti kôry jasne zaznamenaná u celého tucta subjektov. Potom sa na obrazovke súčasne zobrazili dva obrázky, ktoré sa prekrývali a každý mal 50% priehľadnosť, to znamená, že obrázky presvitali cez seba.

Subjekt bol požiadaný, aby v duchu zvýšil jas jedného z dvoch obrázkov, aby zakryl svojho „súpera“. V tomto prípade neurón zodpovedný za obraz, na ktorý sa sústredila pozornosť pacienta, produkoval silnejší elektrický signál ako neurón spojený s druhým obrazom. Impulzy boli fixované elektródami, vstúpili do dekodéra a premenili sa na signál, ktorý riadi jas (alebo priehľadnosť) obrazu.

Myšlienková práca teda stačila na to, aby jeden obrázok začal „zabíjať“druhý. Keď boli testované osoby požiadané, aby nezosilňovali, ale naopak, aby jeden z dvoch obrázkov vybledli, spojenie mozog-počítač opäť fungovalo.

Svetlá hlava

Stála táto vzrušujúca hra za potrebu vykonávať experimenty na živých ľuďoch, najmä na tých, ktorí majú vážne zdravotné problémy? Podľa autorov projektu to stálo za to, pretože výskumníci uspokojili nielen svoje vedecké záujmy zásadného charakteru, ale tápali aj po prístupoch k riešeniu pomerne aplikovaných problémov.

Ak sú v mozgu neuróny (alebo zväzky neurónov), ktoré sú vzrušené pri pohľade na Jennifer Aniston, potom musia existovať mozgové bunky, ktoré sú zodpovedné za pojmy a obrazy, ktoré sú pre život dôležitejšie. V prípadoch, keď pacient nedokáže rozprávať alebo signalizovať svoje problémy a potreby gestami, priame prepojenie s mozgom pomôže lekárom dozvedieť sa o potrebách pacienta z neurónov. Navyše, čím viac združení sa vytvorí, tým viac bude môcť človek o sebe komunikovať.

Elektróda zabudovaná v mozgu, aj keď má priemer 50 mikrónov, je však príliš hrubý nástroj na presné zacielenie na konkrétny neurón. Jemnejším spôsobom interakcie je optogenetika, ktorá zahŕňa transformáciu nervových buniek na genetickej úrovni.

Za priekopníkov tohto smeru sa považujú Ed Boyden a Karl Thessot, ktorí začali svoje pôsobenie na Stanfordskej univerzite. Ich myšlienkou bolo pôsobiť na neuróny pomocou miniatúrnych svetelných zdrojov. Na to musia byť bunky samozrejme citlivé na svetlo.

Keďže fyzikálne manipulácie pri transplantácii svetlocitlivých proteínov – opsínov – do jednotlivých buniek sú takmer nemožné, vedci navrhli… infikovať neuróny vírusom. Práve tento vírus vnesie do genómu buniek gén, ktorý syntetizuje proteín citlivý na svetlo.

Táto technológia má niekoľko potenciálnych použití. Jednou z nich je čiastočná obnova zraku v oku s poškodenou sietnicou udelením svetlocitlivých vlastností zvyšným svetlocitlivým bunkám (existujú úspešné pokusy na zvieratách). Prijímaním elektrických signálov spôsobených dopadajúcim svetlom sa mozog čoskoro naučí s nimi pracovať a interpretovať ich ako obraz, aj keď nižšej kvality.

Ďalšou aplikáciou je práca s neurónmi priamo v mozgu pomocou miniatúrnych svetlovodov. Aktiváciou rôznych neurónov v mozgu zvierat pomocou lúča svetla je možné sledovať, aké behaviorálne reakcie tieto neuróny spôsobujú. Navyše, „svetelný“zásah do mozgu môže mať v budúcnosti terapeutickú hodnotu.