Bagaimana sains arus utama modern menyelidiki otak?

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-16 16:08

Belum lama berselang, menurut standar sejarah, otak disebut sebagai "kotak hitam", proses di dalamnya yang tetap menjadi misteri. Pencapaian ilmiah baru-baru ini tidak lagi memungkinkan kita untuk menyatakan hal ini dengan begitu pasti. Namun, masih ada lebih banyak pertanyaan daripada jawaban yang tidak ambigu di bidang penelitian otak.

Sangat sulit untuk mengenali dalam sistem ini, yang memiliki parameter numerik kosmik dan terus bergerak, mekanisme yang dapat dikorelasikan dengan apa yang kita sebut memori dan pemikiran. Terkadang untuk ini Anda harus menembus langsung ke otak. Dalam arti fisik yang paling langsung.

Apa pun yang dikatakan para pembela satwa liar, belum ada yang melarang peneliti untuk bereksperimen pada otak monyet dan tikus. Namun, ketika menyangkut otak manusia - otak yang hidup, tentu saja - eksperimen tentangnya secara praktis tidak mungkin karena alasan hukum dan etika. Anda bisa masuk ke dalam "materi abu-abu", seperti yang mereka katakan, untuk perusahaan obat-obatan.

Kabel di kepalaku

Salah satu kesempatan yang diberikan kepada peneliti otak adalah perlunya perawatan bedah untuk kasus epilepsi parah yang tidak merespon terapi obat. Penyebab penyakit ini adalah daerah yang terkena lobus temporal median. Area-area inilah yang perlu dihilangkan menggunakan metode bedah saraf, tetapi pertama-tama mereka perlu diidentifikasi sehingga, dapat dikatakan, tidak "memotong kelebihan".

Ahli bedah saraf Amerika Yitzhak Fried dari University of California (Los Angeles) adalah salah satu yang pertama menerapkan teknologi memasukkan elektroda 1 mm langsung ke korteks serebral pada 1970-an. Dibandingkan dengan ukuran sel saraf, elektroda memiliki dimensi cyclopean, tetapi bahkan instrumen kasar seperti itu sudah cukup untuk menghilangkan sinyal listrik rata-rata dari sejumlah neuron (dari seribu hingga satu juta).

Pada prinsipnya, ini cukup untuk mencapai tujuan medis murni, tetapi pada tahap tertentu diputuskan untuk meningkatkan instrumen. Mulai sekarang, elektroda milimeter menerima ujung dalam bentuk percabangan delapan elektroda tipis dengan diameter 50 m.

Ini memungkinkan untuk meningkatkan akurasi pengukuran hingga fiksasi sinyal dari kelompok neuron yang relatif kecil. Metode juga telah dikembangkan untuk menyaring sinyal yang dikirim dari satu sel saraf di otak dari kebisingan "kolektif". Semua ini dilakukan bukan untuk tujuan medis, tetapi untuk tujuan ilmiah murni.

Apa itu plastisitas otak?

Plastisitas otak adalah kemampuan luar biasa dari organ berpikir kita untuk beradaptasi dengan keadaan yang berubah. Jika kita mempelajari suatu keterampilan dan melatih otak secara intensif, maka akan muncul penebalan pada area otak yang bertanggung jawab atas keterampilan tersebut. Neuron yang terletak di sana membuat koneksi tambahan, mengkonsolidasikan keterampilan yang baru diperoleh. Jika terjadi kerusakan pada bagian vital otak, otak terkadang mengembangkan kembali pusat yang hilang di area yang utuh.

Dinamakan neuron

Objek penelitian adalah orang-orang yang menunggu operasi untuk epilepsi: sementara elektroda yang tertanam di korteks serebral membaca sinyal dari neuron untuk secara akurat menentukan area intervensi bedah, eksperimen yang sangat menarik dilakukan di sepanjang jalan. Dan inilah yang terjadi ketika ikon budaya pop - bintang Hollywood, yang gambarnya mudah dikenali oleh mayoritas penduduk dunia, membawa manfaat nyata bagi sains.

Rekan kerja Yitzhak Frida, dokter dan ahli neurofisiologi Rodrigo Kian Quiroga, menunjukkan subjek di laptopnya pilihan visual terkenal, termasuk tokoh populer dan struktur terkenal seperti Sydney Opera House.

Ketika gambar-gambar ini ditampilkan, aktivitas listrik neuron individu diamati di otak, dan gambar yang berbeda "menyalakan" sel saraf yang berbeda. Misalnya, "Jennifer Aniston neuron" dipasang, yang "dipecat" setiap kali potret aktris romantis ini muncul di layar. Apa pun foto yang ditunjukkan Aniston kepada subjek, neuron "namanya" tidak gagal. Selain itu, itu juga berfungsi ketika bingkai dari serial TV terkenal muncul di layar, di mana aktris itu membintangi, bahkan jika dia sendiri tidak ada dalam bingkai. Tapi saat melihat gadis-gadis yang hanya mirip Jennifer, neuron itu terdiam.

Sel saraf yang dipelajari, ternyata, dikaitkan secara tepat dengan citra holistik aktris tertentu, dan sama sekali tidak dengan elemen individu dari penampilan atau pakaiannya. Dan penemuan ini memberikan, jika bukan kunci, maka petunjuk untuk memahami mekanisme retensi memori jangka panjang di otak manusia.

Satu-satunya hal yang menghalangi kami untuk maju adalah pertimbangan etika dan hukum, yang disebutkan di atas. Para ilmuwan tidak dapat menempatkan elektroda di area lain di otak, kecuali yang menjadi sasaran penelitian pra operasi, dan penelitian itu sendiri memiliki kerangka waktu medis yang terbatas.

Hal ini membuat sangat sulit untuk menemukan jawaban atas pertanyaan apakah neuron Jennifer Aniston, atau Brad Pitt, atau Menara Eiffel benar-benar ada, atau mungkin sebagai hasil pengukuran, para ilmuwan secara tidak sengaja menemukan hanya satu sel dari seluruh jaringan. terhubung satu sama lain melalui koneksi sinaptik, yang bertanggung jawab untuk melestarikan atau mengenali gambar tertentu.

Bermain dengan gambar

Bagaimanapun, eksperimen berlanjut, dan Moran Cerf bergabung dengan mereka - kepribadian yang sangat serbaguna. Sejak lahir di Israel, ia mencoba dirinya sendiri sebagai konsultan bisnis, peretas dan pada saat yang sama sebagai instruktur keamanan komputer, serta seniman dan penulis buku komik, penulis, dan musisi.

Pria dengan spektrum bakat yang layak untuk Renaisans inilah yang membuat semacam antarmuka mesin saraf berdasarkan neuron Jennifer Aniston dan sejenisnya. Kali ini, 12 pasien dari Medical Center dinamai V. I. Ronald Reagan di Universitas California. Dalam studi pra operasi, 64 elektroda terpisah dimasukkan ke dalam wilayah lobus temporal median. Secara paralel, percobaan dimulai.

Perkembangan ilmu aktivitas saraf yang lebih tinggi menjanjikan prospek yang luar biasa: orang akan dapat lebih memahami diri mereka sendiri dan mengatasi penyakit yang sekarang tidak dapat disembuhkan. Sisi moral dan hukum dari eksperimen pada otak manusia yang hidup tetap menjadi masalah.

Orang-orang pertama kali diperlihatkan 110 gambar tema budaya pop. Sebagai hasil dari putaran pertama ini, empat gambar dipilih, saat melihat eksitasi neuron di berbagai bagian area korteks yang dipelajari direkam dengan jelas di seluruh lusin mata pelajaran. Kemudian, dua gambar ditampilkan secara bersamaan di layar, ditumpangkan satu sama lain, dan masing-masing memiliki transparansi 50%, yaitu, gambar bersinar satu sama lain.

Subjek diminta untuk secara mental meningkatkan kecerahan salah satu dari dua gambar, sehingga ia mengaburkan "saingannya". Dalam hal ini, neuron yang bertanggung jawab atas gambar yang menjadi pusat perhatian pasien menghasilkan sinyal listrik yang lebih kuat daripada neuron yang terkait dengan gambar kedua. Pulsa difiksasi oleh elektroda, dimasukkan ke dalam dekoder dan diubah menjadi sinyal yang mengontrol kecerahan (atau transparansi) gambar.

Jadi, kerja pemikiran sudah cukup untuk membuat satu gambar mulai "memalu" yang lain. Ketika subjek diminta untuk tidak mengintensifkan, tetapi, sebaliknya, untuk membuat salah satu dari dua gambar menjadi lebih pucat, hubungan otak-komputer kembali bekerja.

kepala ringan

Apakah permainan yang mengasyikkan ini layak untuk dilakukan eksperimen pada orang yang masih hidup, terutama mereka yang memiliki masalah kesehatan yang serius? Menurut penulis proyek, itu sepadan, karena para peneliti tidak hanya memuaskan minat ilmiah mereka yang bersifat mendasar, tetapi juga mencari pendekatan untuk memecahkan masalah yang cukup terapan.

Jika ada neuron (atau kumpulan neuron) di otak yang bersemangat saat melihat Jennifer Aniston, maka pasti ada sel otak yang bertanggung jawab atas konsep dan gambar yang lebih penting bagi kehidupan. Dalam kasus di mana pasien tidak dapat berbicara atau memberi sinyal masalah dan kebutuhannya dengan gerakan, koneksi langsung ke otak akan membantu dokter mempelajari kebutuhan pasien dari neuron. Selain itu, semakin banyak asosiasi didirikan, semakin banyak seseorang dapat berkomunikasi tentang dirinya sendiri.

Namun, elektroda yang tertanam di otak, meskipun berdiameter 50 mikron, adalah alat yang terlalu kasar untuk menargetkan neuron tertentu secara akurat. Metode interaksi yang lebih halus adalah optogenetika, yang melibatkan transformasi sel saraf pada tingkat genetik.

Ed Boyden dan Karl Thessot, yang memulai pekerjaan mereka di Universitas Stanford, dianggap sebagai salah satu pelopor arah ini. Ide mereka adalah untuk bertindak pada neuron menggunakan sumber cahaya mini. Untuk ini, sel, tentu saja, harus dibuat peka cahaya.

Karena manipulasi fisik transplantasi protein peka cahaya - opsins - ke dalam sel individu hampir tidak mungkin, para peneliti menyarankan … menginfeksi neuron dengan virus. Virus inilah yang akan memperkenalkan gen yang mensintesis protein peka cahaya ke dalam genom sel.

Teknologi ini memiliki beberapa kegunaan potensial. Salah satunya adalah pemulihan sebagian penglihatan di mata dengan retina yang rusak dengan memberikan sifat peka cahaya ke sel non peka cahaya yang tersisa (ada percobaan yang berhasil pada hewan). Menerima sinyal listrik yang disebabkan oleh cahaya yang datang, otak akan segera belajar bekerja dengannya dan menafsirkannya sebagai gambar, meskipun kualitasnya lebih rendah.

Aplikasi lain bekerja dengan neuron langsung di otak menggunakan panduan cahaya miniatur. Dengan mengaktifkan neuron yang berbeda di otak hewan dengan bantuan seberkas cahaya, dimungkinkan untuk melacak respons perilaku apa yang disebabkan oleh neuron ini. Selain itu, intervensi "ringan" di otak mungkin memiliki nilai terapeutik di masa depan.