Hogyan vizsgálja a modern tudomány az agyat?

2024 Szerző: Seth Attwood | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 16:07

Nem is olyan régen a történelmi mércék szerint az agyról "fekete dobozként" beszéltek, amelyben a folyamatok rejtélyek maradtak. A legújabb tudományos eredmények már nem teszik lehetővé, hogy ezt ilyen kategorikusan kijelentsük. Az agykutatás területén azonban még mindig sokkal több a kérdés, mint amennyi egyértelmű válasz.

Ebben a kozmikus numerikus paraméterekkel rendelkező, állandó mozgásban lévő rendszerben rendkívül nehéz felismerni olyan mechanizmusokat, amelyek összefüggésbe hozhatók azzal, amit emlékezetnek és gondolkodásnak nevezünk. Néha ehhez közvetlenül az agyba kell behatolni. A legközvetlenebb fizikai értelemben.

Bármit is mondanak a vadon élő állatok védelmezői, még senki nem tiltotta meg a kutatóknak, hogy majmok és patkányok agyán kísérletezzenek. Ami azonban az emberi agyat illeti – természetesen élő agyról van szó –, a kísérletezés jogi és etikai okokból gyakorlatilag lehetetlen. A "szürkeállományba" csak, ahogy mondani szokás, a gyógyszeres társaságnak lehet bejutni.

Vezetékek a fejemben

Az egyik ilyen lehetőség az agykutatóknak az volt, hogy olyan súlyos epilepsziás eseteket sebészi kezeléssel kell kezelni, amelyek nem reagálnak a gyógyszeres terápiára. A betegség oka a középső halántéklebeny érintett területei. Ezeket a területeket idegsebészeti módszerekkel kell eltávolítani, de mindenekelőtt azonosítani kell őket, hogy úgymond ne „levágjuk a felesleget”.

Yitzhak Fried amerikai idegsebész, a Kaliforniai Egyetemről (Los Angeles) az elsők között alkalmazta az 1 mm-es elektródák közvetlenül az agykéregbe történő behelyezését még az 1970-es években. Az idegsejtek méretéhez képest az elektródák ciklopos méretűek voltak, de még egy ilyen durva műszer is elegendő volt ahhoz, hogy eltávolítsa az átlagos elektromos jelet számos neuronról (ezertől egymillióig).

Ez elvileg elegendő volt a tisztán orvosi célok eléréséhez, de egy szakaszban úgy döntöttek, hogy javítják a műszert. A milliméteres elektróda ezentúl nyolc vékonyabb, 50 μm átmérőjű elektródából álló elágazás formájában kapott véget.

Ez lehetővé tette a mérések pontosságának növelését egészen a viszonylag kis számú neuroncsoportból érkező jel rögzítéséig. Olyan módszereket is kidolgoztak, amelyek az agy egyetlen idegsejtjéből küldött jelet kiszűrik a "kollektív" zajból. Mindezt nem orvosi, hanem tisztán tudományos célból tették.

Mi az agy plaszticitása?

Az agy plaszticitása gondolkodási szervünk elképesztő képessége, hogy alkalmazkodjon a változó körülményekhez. Ha megtanulunk egy képességet és intenzíven edzzük az agyat, akkor az adott képességért felelős agyterületen megvastagodás jelenik meg. Az ott található neuronok további kapcsolatokat hoznak létre, megszilárdítva az újonnan megszerzett készségeket. Az agy létfontosságú részének károsodása esetén az agy időnként újra kifejleszti az elveszett központokat az ép területen.

Neuronoknak nevezett

A kutatás tárgyai az epilepsziás műtétre váró emberek voltak: míg az agykéregbe ágyazott elektródák az idegsejtek jeleit olvasták le, hogy pontosan meghatározzák a műtéti beavatkozás területét, addig nagyon érdekes kísérleteket végeztek az út során. És ez volt az az eset, amikor a popkultúra ikonjai - a hollywoodi sztárok, akiknek képei könnyen felismerhetők a világ lakosságának többsége számára, valódi hasznot hoztak a tudománynak.

Yitzhak Frida munkatársa, orvos és neurofiziológus Rodrigo Kian Quiroga jól ismert látványelemeket mutatott meg laptopján az alanyoknak, köztük népszerű személyiségeket és híres építményeket, például a Sydney-i Operaházat.

Amikor ezeket a képeket bemutatták, az egyes idegsejtek elektromos aktivitását figyelték meg az agyban, és a különböző képek különböző idegsejteket „bekapcsoltak”. Például egy „Jennifer Aniston neuront” telepítettek, amely „kilőtt”, amikor ennek a romantikus színésznőnek a portréja megjelent a képernyőn. Bármilyen fotót is mutattak Anistonnak az alanynak, a „nevének” nevű neuron nem hibázott. Sőt, az is működött, amikor a híres tévésorozat képkockái jelentek meg a képernyőn, amelyben a színésznő szerepelt, még akkor is, ha ő maga nem volt benne. De a lányok láttán, akik csak úgy néztek ki, mint Jennifer, az idegsejt elhallgatott.

A vizsgált idegsejt, mint kiderült, pontosan egy adott színésznő holisztikus képéhez kapcsolódott, és egyáltalán nem megjelenésének vagy ruházatának egyes elemeihez. És ez a felfedezés, ha nem is kulcsot, de támpontot adott az emberi agyban a hosszú távú memória megtartásának mechanizmusainak megértéséhez.

Az egyetlen dolog, ami megakadályozott bennünket abban, hogy továbblépjünk, az a fent említett etikai és jogi megfontolások voltak. A tudósok nem tudtak elektródákat elhelyezni az agy más területein, kivéve azokat, amelyeket a műtét előtti kutatásnak vetettek alá, és magának a vizsgálatnak is korlátozott volt az orvosi időkerete.

Ez nagyon megnehezítette a választ arra a kérdésre, hogy valóban létezik-e Jennifer Aniston, vagy Brad Pitt, vagy az Eiffel-torony idegsejtje, esetleg mérések eredményeként a tudósok véletlenül egyetlen sejtre bukkantak a teljes hálózatból. szinaptikus kapcsolatokkal kapcsolódnak egymáshoz, ami egy bizonyos kép megőrzéséért vagy felismeréséért felelős.

Játék a képekkel

Bárhogy is legyen, a kísérletek folytatódtak, és Moran Cerf csatlakozott hozzájuk - egy rendkívül sokoldalú személyiség. Izraeli származású, üzleti tanácsadóként, hackerként és egyben számítógépes biztonsági oktatóként, valamint művészként és képregényíróként, íróként és zenészként próbálta ki magát.

Ez a reneszánszhoz méltó tehetségekkel rendelkező ember volt az, aki egyfajta neuromachine interfész létrehozására vállalkozott a Jennifer Aniston neuron és hasonlók alapján. A V. I.-ről elnevezett Egészségügyi Központ 12 betege ezúttal. Ronald Reagan a Kaliforniai Egyetemen. A preoperatív vizsgálatok során 64 különálló elektródát illesztettünk a középső temporális lebeny régiójába. Ezzel párhuzamosan megkezdődtek a kísérletek.

A magasabb idegi aktivitás tudományának fejlődése hihetetlen kilátásokkal kecsegtet: az emberek képesek lesznek jobban megérteni önmagukat és megbirkózni a ma már gyógyíthatatlan betegségekkel. Az élő emberi agyon végzett kísérletek erkölcsi és jogi oldala továbbra is probléma.

Az embereknek először 110 képet mutattak meg a popkultúra témáiról. Az első kör eredményeként négy olyan képet választottak ki, amelyek láttán az egész tucat alanyban egyértelműen rögzítették a kéreg vizsgált területének különböző részein lévő neuronok gerjesztését. Ezután két kép jelent meg egyszerre a képernyőn egymásra rakva, és mindegyik 50%-os átlátszóságú volt, vagyis a képek átsütöttek egymáson.

Az alanyt arra kérték, hogy mentálisan növelje a két kép közül az egyik fényerejét, így eltakarja "riválisát". Ebben az esetben a képért felelős neuron, amelyre a páciens figyelme összpontosult, erősebb elektromos jelet produkált, mint a második képhez társított neuron. Az impulzusokat elektródák rögzítették, bejutottak a dekóderbe, és jellé alakultak, amely szabályozza a kép fényerejét (vagy átlátszóságát).

Így a gondolati munka bőven elég volt ahhoz, hogy az egyik kép elkezdje „kalapálni” a másikat. Amikor arra kérték az alanyokat, hogy ne fokozzák, hanem éppen ellenkezőleg, tegyék halványabbá a két kép egyikét, az agy-számítógép kapcsolat ismét működött.

Könnyű fej

Megérte ez az izgalmas játék, hogy kísérleteket végezzünk élő embereken, különösen súlyos egészségügyi problémákkal küzdőkön? A projekt készítői szerint megérte, mert a kutatók nemcsak alapvető természetű tudományos érdeklődésüket elégítették ki, hanem az egészen alkalmazott problémák megoldásának megközelítéseit is kitapogatták.

Ha vannak idegsejtek (vagy idegsejt-kötegek) az agyban, amelyek Jennifer Aniston láttán izgalomba jönnek, akkor biztosan vannak agysejtek, amelyek felelősek az élet szempontjából lényegesebb fogalmakért és képekért. Azokban az esetekben, amikor a beteg nem tud beszélni vagy gesztusokkal jelezni problémáit és szükségleteit, az agyhoz való közvetlen kapcsolat segít az orvosoknak, hogy a neuronokból tájékozódjanak a páciens szükségleteiről. Sőt, minél több egyesület jön létre, az ember annál többet tud kommunikálni önmagáról.

Az agyba ágyazott elektróda azonban, még ha 50 mikron átmérőjű is, túl durva eszköz egy adott neuron pontos megcélzásához. A kölcsönhatás finomabb módszere az optogenetika, amely az idegsejtek genetikai szintű átalakulását foglalja magában.

Ed Boyden és Karl Thessot, akik a Stanford Egyetemen kezdték munkájukat, ennek az iránynak az úttörői közé tartoznak. Az volt az ötletük, hogy miniatűr fényforrások segítségével fejtsenek ki neuronokat. Ehhez természetesen fényérzékenysé kell tenni a sejteket.

Mivel a fényérzékeny fehérjék – opszinok – egyedi sejtekbe történő átültetésének fizikai manipulálása szinte lehetetlen, a kutatók azt javasolták, hogy… a neuronokat fertőzzék meg vírussal. Ez a vírus az, amely egy fényérzékeny fehérjét szintetizáló gént visz be a sejtek genomjába.

Ennek a technológiának számos felhasználási lehetősége van. Az egyik a látás részleges helyreállítása egy sérült retinával rendelkező szemben azáltal, hogy fényérzékeny tulajdonságokat kölcsönöz a megmaradt nem fényérzékeny sejteknek (állatokon vannak sikeres kísérletek). A beeső fény által keltett elektromos jeleket fogadva az agy hamarosan megtanul velük dolgozni, és képként értelmezni azokat, igaz, gyengébb minőségben.

Egy másik alkalmazás közvetlenül az agyban lévő neuronokkal dolgozik miniatűr fényvezetők segítségével. Az állatok agyában lévő különböző neuronok fénysugár segítségével történő aktiválásával nyomon követhető, hogy ezek az idegsejtek milyen viselkedési reakciókat váltanak ki. Ezenkívül a „könnyű” agyi beavatkozásnak terápiás értéke is lehet a jövőben.