علم جریان اصلی مدرن چگونه مغز را بررسی می کند؟

2024 نویسنده: Seth Attwood | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-16 16:03

چندی پیش، طبق استانداردهای تاریخی، از مغز به عنوان یک "جعبه سیاه" یاد می شد که فرآیندهای درون آن یک راز باقی مانده بود. دستاوردهای علمی اخیر دیگر این اجازه را به ما نمی دهد که اینقدر قاطعانه اعلام کنیم. با این حال، هنوز سوالاتی بسیار بیشتر از پاسخ های بدون ابهام در زمینه تحقیقات مغز وجود دارد.

در این سیستم که دارای پارامترهای عددی کیهانی است و در حرکت ثابت است، تشخیص مکانیسم‌هایی که می‌توانند با آنچه ما حافظه و تفکر می‌نامیم مرتبط باشند، بسیار دشوار است. گاهی برای این کار باید مستقیماً به مغز نفوذ کنید. در مستقیم ترین معنای فیزیکی.

مدافعان حیات وحش هر چه می گویند، هنوز هیچ کس محققان را از انجام آزمایش بر روی مغز میمون ها و موش ها منع نکرده است. با این حال، وقتی صحبت از مغز انسان می شود - البته یک مغز زنده - آزمایش روی آن به دلایل قانونی و اخلاقی عملا غیرممکن است. همانطور که می گویند فقط برای شرکت داروسازی می توانید وارد "ماده خاکستری" شوید.

سیم توی سرم

یکی از این فرصت‌ها که به محققان مغز ارائه شد، نیاز به درمان جراحی موارد شدید صرع بود که به درمان دارویی پاسخ نمی‌دهند. علت بیماری نواحی آسیب دیده لوب تمپورال میانی است. این نواحی هستند که باید با استفاده از روش های جراحی مغز و اعصاب برداشته شوند، اما قبل از هر چیز باید شناسایی شوند تا به اصطلاح، "اضافه" قطع نشود.

جراح مغز و اعصاب آمریکایی Yitzhak Fried از دانشگاه کالیفرنیا (لس آنجلس) یکی از اولین کسانی بود که در دهه 1970 از فناوری قرار دادن الکترودهای 1 میلی متری به طور مستقیم در قشر مغز استفاده کرد. در مقایسه با اندازه سلول های عصبی، الکترودها ابعاد سیکلوپی داشتند، اما حتی چنین ابزار خامی برای حذف میانگین سیگنال الکتریکی از تعدادی نورون (از هزار تا یک میلیون) کافی بود.

در اصل، این برای دستیابی به اهداف صرفاً پزشکی کافی بود، اما در مرحله ای تصمیم به بهبود این ابزار گرفته شد. از این پس، الکترود میلیمتری انتهایی را به شکل انشعاب هشت الکترود نازکتر با قطر 50 میکرومتر دریافت کرد.

این امکان افزایش دقت اندازه گیری تا تثبیت سیگنال از گروه های نسبتاً کوچکی از نورون ها را فراهم کرد. همچنین روش‌هایی برای فیلتر کردن سیگنال ارسالی از یک سلول عصبی در مغز از نویز «جمعی» ایجاد شده‌اند. همه اینها نه برای اهداف پزشکی، بلکه برای اهداف کاملاً علمی انجام شد.

پلاستیسیته مغز چیست؟

انعطاف پذیری مغز توانایی شگفت انگیز اندام تفکر ما برای انطباق با شرایط متغیر است. اگر مهارتی را بیاموزیم و مغز را به شدت آموزش دهیم، ضخیم شدن ناحیه ای از مغز که مسئول آن مهارت است ظاهر می شود. نورون‌هایی که در آنجا قرار دارند، اتصالات بیشتری ایجاد می‌کنند و مهارت‌های تازه کسب شده را تثبیت می‌کنند. در صورت آسیب به بخش حیاتی مغز، گاهی اوقات مغز مراکز از دست رفته در ناحیه دست نخورده را دوباره توسعه می دهد.

به نام نورون ها

موضوع تحقیق افرادی بودند که در انتظار جراحی برای صرع بودند: در حالی که الکترودهای تعبیه شده در قشر مغز سیگنال های نورون ها را برای تعیین دقیق منطقه مداخله جراحی می خواندند، آزمایش های بسیار جالبی در طول مسیر انجام شد. و این درست زمانی بود که نمادهای فرهنگ پاپ - ستارگان هالیوود، که تصاویر آنها توسط اکثریت جمعیت جهان به راحتی قابل تشخیص است، مزایای واقعی را برای علم به ارمغان آوردند.

همکار اسحاک فریدا، پزشک و فیزیولوژیست عصبی رودریگو کیان کویروگا، منتخبی از تصاویر شناخته شده از جمله شخصیت های محبوب و سازه های معروف مانند خانه اپرای سیدنی را به سوژه ها در لپ تاپ خود نشان داد.

هنگامی که این تصاویر نشان داده شد، فعالیت الکتریکی تک تک سلول های عصبی در مغز مشاهده شد و تصاویر مختلف سلول های عصبی مختلف را "روشن" کردند. به عنوان مثال، یک "نرون جنیفر آنیستون" نصب شده بود که هر زمان پرتره ای از این بازیگر رمانتیک روی صفحه نمایش ظاهر می شد، "شلیک" می شد. هر عکسی که آنیستون به سوژه نشان داده شد، نورون "نام او" از کار نیفتاد. علاوه بر این، زمانی که فریم هایی از سریال معروف تلویزیونی روی صفحه ظاهر می شد که در آن بازیگر نقش آفرینی می کرد، حتی اگر خودش در قاب نبود، کار کرد. اما با دیدن دخترانی که فقط شبیه جنیفر بودند، نورون ساکت شد.

سلول عصبی مورد مطالعه، همانطور که معلوم شد، دقیقاً با تصویر کل نگر از یک بازیگر خاص مرتبط بود، و نه با عناصر فردی ظاهر یا لباس او. و این کشف، اگر نگوییم کلید، سرنخی برای درک مکانیسم‌های حفظ حافظه بلندمدت در مغز انسان ارائه کرد.

تنها چیزی که ما را از حرکت به جلو باز داشت، همین ملاحظات اخلاقی و حقوقی بود که در بالا به آن اشاره شد. دانشمندان نمی‌توانستند الکترودها را در هیچ ناحیه دیگری از مغز قرار دهند، به‌جز آن‌هایی که تحت تحقیقات قبل از عمل قرار گرفته‌اند، و این مطالعه خود چارچوب زمانی پزشکی محدودی داشت.

این امر یافتن پاسخی برای این سؤال که آیا نورون جنیفر آنیستون یا براد پیت یا برج ایفل واقعاً وجود دارد یا خیر یا شاید در نتیجه اندازه‌گیری‌ها، دانشمندان به طور تصادفی فقط به یک سلول از یک شبکه کامل برخورد کردند بسیار دشوار شد. با اتصالات سیناپسی به یکدیگر متصل می شوند که وظیفه حفظ یا شناسایی یک تصویر خاص را بر عهده دارند.

بازی با تصاویر

به هر حال، آزمایش ها ادامه یافت و موران سرف به آنها پیوست - شخصیتی بسیار همه کاره. او که در اصل اسرائیلی بود، خود را به عنوان مشاور تجاری، هکر و در عین حال مربی امنیت کامپیوتر، و همچنین هنرمند و نویسنده کتاب های مصور، نویسنده و موسیقیدان امتحان کرد.

این مرد با طیفی از استعدادهای شایسته رنسانس بود که بر اساس نورون جنیفر آنیستون و امثال آن، نوعی رابط ماشین عصبی ایجاد کرد. این بار 12 نفر از بیماران مرکز پزشکی به نام V. I. رونالد ریگان در دانشگاه کالیفرنیا. در طول مطالعات قبل از عمل، 64 الکترود جداگانه در ناحیه لوب تمپورال میانی قرار داده شد. به موازات آن، آزمایشات آغاز شد.

توسعه علوم فعالیت های عصبی بالاتر چشم اندازهای باورنکردنی را نوید می دهد: مردم می توانند خود را بهتر درک کنند و با بیماری های اکنون غیر قابل درمان کنار بیایند. جنبه اخلاقی و قانونی آزمایشات روی مغز انسان زنده همچنان یک مشکل است.

ابتدا 110 تصویر از مضامین فرهنگ پاپ به مردم نشان داده شد. در نتیجه این دور اول، چهار تصویر انتخاب شد که با مشاهده آنها، تحریک نورون ها در قسمت های مختلف ناحیه مورد مطالعه قشر مغز در کل ده نفر به وضوح ثبت شد. سپس دو تصویر به طور همزمان روی صفحه نمایش داده شد که روی هم قرار گرفتند و هر کدام 50 درصد شفافیت داشتند، یعنی تصاویر از روی هم می درخشیدند.

از سوژه خواسته شد تا به صورت ذهنی روشنایی یکی از دو تصویر را افزایش دهد تا "رقیب" خود را مبهم کند. در این مورد، نورون مسئول تصویری که توجه بیمار روی آن متمرکز شده بود، سیگنال الکتریکی قوی‌تری نسبت به نورون مرتبط با تصویر دوم تولید می‌کرد. پالس ها توسط الکترودها ثابت شدند، وارد رمزگشا شده و به سیگنالی تبدیل شدند که روشنایی (یا شفافیت) تصویر را کنترل می کند.

بنابراین، کار فکری کاملاً کافی بود تا یک عکس شروع به "کوبیدن" دیگری کند.وقتی از آزمودنی‌ها خواسته شد که تشدید نکنند، بلکه برعکس، یکی از دو تصویر را کم رنگ‌تر کنند، پیوند مغز و کامپیوتر دوباره کار کرد.

سر سبک

آیا این بازی هیجان‌انگیز ارزش انجام آزمایش‌هایی را روی افراد زنده، به‌ویژه کسانی که مشکلات سلامتی جدی دارند، داشت؟ به گفته نویسندگان این پروژه، ارزش آن را داشت، زیرا محققان نه تنها علایق علمی خود را از ماهیت اساسی برآورده کردند، بلکه به دنبال رویکردهایی برای حل مشکلات کاملاً کاربردی بودند.

اگر نورون‌ها (یا دسته‌هایی از نورون‌ها) در مغز وجود دارند که با دیدن جنیفر آنیستون هیجان‌زده می‌شوند، پس باید سلول‌های مغزی وجود داشته باشند که مسئول مفاهیم و تصاویری هستند که برای زندگی ضروری‌تر هستند. در مواردی که بیمار نمی تواند صحبت کند یا مشکلات و نیازهای خود را با حرکات نشان دهد، ارتباط مستقیم با مغز به پزشکان کمک می کند تا نیازهای بیمار را از نورون ها بیاموزند. علاوه بر این، هر چه انجمن های بیشتری ایجاد شود، فرد می تواند بیشتر در مورد خود ارتباط برقرار کند.

با این حال، یک الکترود تعبیه شده در مغز، حتی اگر قطر آن 50 میکرون باشد، ابزاری بیش از حد خام است که نمی‌تواند به طور دقیق یک نورون خاص را هدف قرار دهد. روش ظریف تر تعامل اپتوژنتیک است که شامل تبدیل سلول های عصبی در سطح ژنتیکی است.

اد بویدن و کارل تسوت که کار خود را در دانشگاه استنفورد آغاز کردند، از پیشگامان این مسیر به شمار می روند. ایده آنها این بود که با استفاده از منابع نور مینیاتوری روی نورون ها عمل کنند. برای این کار، البته، سلول ها باید به نور حساس شوند.

از آنجایی که دستکاری های فیزیکی پیوند پروتئین های حساس به نور - اپسین ها - به سلول های فردی تقریبا غیرممکن است، محققان پیشنهاد کردند … آلوده کردن نورون ها با یک ویروس. این ویروس است که ژنی را وارد ژنوم سلول ها می کند که پروتئین حساس به نور را سنتز می کند.

این فناوری چندین کاربرد بالقوه دارد. یکی از آنها بازیابی نسبی بینایی در چشمی با شبکیه آسیب دیده با ایجاد خواص حساس به نور به سلول های باقیمانده غیر حساس به نور است (آزمایش های موفقی روی حیوانات وجود دارد). با دریافت سیگنال های الکتریکی ناشی از نور فرودی، مغز به زودی یاد می گیرد که با آنها کار کند و آنها را به عنوان یک تصویر، البته با کیفیت پایین، تفسیر می کند.

کاربرد دیگر کار با نورون ها به طور مستقیم در مغز با استفاده از راهنمای نور مینیاتوری است. با فعال کردن نورون‌های مختلف در مغز حیوانات به کمک پرتوی نور، می‌توان ردیابی کرد که این نورون‌ها چه واکنش‌های رفتاری ایجاد می‌کنند. علاوه بر این، مداخله "سبک" در مغز ممکن است در آینده ارزش درمانی داشته باشد.