Оберіть мову:

Гаряча лінія: (044) 357-70-55 | itbankdna@ukr.net
Соціальні мережі:

Досліди на людях: як досліджують людський мозок

Ще не так давно за історичними мірками про мозок говорили як про «чорному ящику», процеси всередині якого залишалися таємницею. Досягнення науки останніх десятиліть вже не дозволяють заявляти про це настільки ж категорично. Проте як і раніше в області дослідження мозкової діяльності куди більше питань, ніж однозначних відповідей.

Розпізнати в цій, що має космічні чисельні параметри і знаходиться в постійному русі системі механізми, які можна було б співвіднести з тим, що ми називаємо пам’яттю і мисленням, вкрай складно. Часом для цього доводиться проникати безпосередньо в мозок. У самому прямому фізичному сенсі.

Що б там не говорили захисники живої природи, але експериментувати над мозком макак і щурів дослідникам поки ніхто не забороняв. Однак коли мова йде про мозок людини – живому мозку, зрозуміло, – експерименти на ньому практично неможливі з міркувань права і етики. Проникнути всередину «сірої речовини» можна лише, що називається, за компанію з медициною.

Провід в голові

Одним з таких шансів, НАДАННЯ досліднікам мозкової ДІЯЛЬНОСТІ, стала необходимость хірургічного лікування Важко віпадків епілепсії, Які НЕ піддаються медікаментозної терапії. Причиною захворювання стають уражені ділянки середінної скроневої Частки. Саме ЦІ області та патенти ВИДАЛИТИ методами нейрохірургії, проти Перш за все їх треба віявіті, щоб, так би мовити, не “відрізаті Зайве».

Американський нейрохірург Іцхак Фрід з Каліфорнійського університету (Лос-Анджелес) ще в 1970-х став одним з перших, хто застосував для цієї мети технологію введення безпосередньо в кору головного мозку електродів товщиною 1 мм. У порівнянні з розміром нервових клітин електроди мали циклопічні розміри, проте навіть такого грубого інструменту було досить, щоб зняти усереднений електросігнал від деякої кількості нейронів (від тисячі до мільйона). В принципі, для досягнення чисто медичних цілей цього було достатньо, але на якомусь етапі інструмент було вирішено вдосконалити. Відтепер міліметровий електрод отримував закінчення у вигляді розгалуження з восьми більш тонких електродів діаметром 50 мкм. Це дозволило збільшити точність вимірів аж до фіксації сигналу від порівняно невеликих груп нейронів. Були також розроблені методи, що дозволяють відфільтрувати з «колективного» шуму сигнал, що посилається однією-єдиною нервовою клітиною мозку. Все це було зроблено вже не в медичних, а із суто науковою метою.

Що таке пластичність мозку?

Пластичністю мозку називається приголомшлива здатність нашого органу мислення пристосовуватися до обставин, що змінюються. Якщо ми навчаємося якій-небудь навичці і інтенсивно тренуємо мозок, в області мозку, що відповідає за цю навичку з’являється потовщення. Знаходяться там нейрони створюють додаткові зв’язки, закріплюючи знову отримані вміння. У разі поразки життєво важливої ​​ділянки мозку, мозок часом заново розвиває втрачені центри в непошкодженій області.

Іменні нейрони

Об’єктом досліджень ставали люди, які очікували операції з приводу епілепсії: поки впроваджені в кору мозку електроди прочитували сигнали від нейронів для точного визначення зони хірургічного втручання, попутно проводилися досить цікаві експерименти. І це був той самий випадок, коли реальну користь науці принесли ікони поп-культури – голлівудські зірки, чиї образи легко впізнавані більшістю населення планети. Співробітник Іцхака Фріда – лікар і нейрофізіолог Родріго Киан Кірога – демонстрував випробуваним на екрані свого ноутбука добірку широко відомих зорових образів, серед яких були як популярні особи, так і знамениті споруди, на зразок оперного театру в Сіднеї. При показі цих картинок в мозку спостерігалася електрична активність окремих нейронів, причому різні образи «включали» різні нервові клітини. Наприклад, було встановлено «нейрон Дженніфер Еністон», який «вистрілював» всякий раз, коли на екрані з’являвся портрет цієї актриси романтичного амплуа. Яке б фото Еністон не демонстрували випробуваному, нейрон «її імені» не підводив. Більш того, він спрацьовував і тоді, коли на екрані з’являлися кадри з відомого серіалу, в якому актриса знімалася, нехай навіть її самої в кадрі не було. А ось при вигляді дівчат, лише схожих на Дженніфер, нейрон мовчав.

Досліджувана нервова клітина, як виявилося, була пов’язана саме з цілісним образом конкретної актриси, а зовсім не з окремими елементами її зовнішності або одягу. І це відкриття давало якщо не ключ, то підказку до розуміння механізмів збереження довгострокової пам’яті в людському мозку. Єдине, що заважало просуватися далі, – ті самі міркування етики і права, про які говорилося вище. Вчені не могли розмістити електроди ні в яких інших областях мозку, крім тих, що піддавалися передопераційного дослідження, та й саме це дослідження мало обмежені медичної завданням тимчасові рамки. Це дуже ускладнювало пошуки відповіді на питання, чи дійсно існує нейрон Дженніфер Еністон, або Бреда Пітта, або Ейфелевої вежі, а може бути, в результаті вимірів вчені випадково натикалися лише на одну клітку з цілої пов’язаної один з одним синаптическими зв’язками мережі, що відповідає за збереження або впізнавання певного образу.

Нейроінженерія

Створено чи нейро-машинний інтерфейс, що дозволяє паралізованим людям управляти роботом-маніпулятором?

Так, такий інтерфейс створений. Особливо цікаві в цьому зв’язку роботи нейроінженера Джона Донохью з Університету Браун (штат Род-Айленд). У очолюваної ним лабораторії розроблена технологія BrainGate, яка допомагає паралізованим Вирватися з «тюрми» свого тіла. Найчастіше параліч настає не в результаті ураження головного мозку, а через порушення комунікації між головним мозком і периферійної нервової системою, наприклад через пошкодження спинного мозку. Якщо моторна кора ціла і функціонує, в неї вставляється невеликий чіп з золотими електродами. Чіп зчитує сигнали, що надходять від потрібних груп нейронів, і перетворює їх в команди для комп’ютера. Якщо підключення до комп’ютера роботизована рука-маніпулятор, то досить пацієнтові подумати про те, як він піднімає свою руку, як робот виконає задумане рух. Таким же способом паралізована людина може управляти набором тексту на комп’ютері або переміщати курсор по екрану. Єдина незручність – з верхньої частини черепа стирчать дроти, проте це дрібниця в порівнянні з повною нерухомістю. В майбутньому, мріє Донохью, електронний чіп, імплантований в мозок, буде управляти не комп’ютером, а м’язами власного тіла пацієнта через систему електростимуляторів, які будуть імплантовані в мускулатуру.

Чи може мозок бачити без очей?

Те, що ми вважаємо зором, є насправді інтерпретація мозком електросигнали, що генеруються масивом світлочутливих клітин – паличок і колбочок, розташованих на внутрішній стороні сітківки. У сітківки високий дозвіл – бооколо 126 мегапікселів, якщо приблизно висловити його в параметрах, в яких оцінюється матриця цифрового фотоапарата. Однак в будова очі закладена маса недосконалостей і остаточна картинка – це все-таки результат обчислень, проведених мозком. Саме мозок «піклується» про те, щоб зорове сприйняття створювало нам максимальні зручності при орієнтації в просторі. Але, як з’ясовується, навіть якщо мозку запропонувати картинку куди більш низького дозволу, і навіть якщо пристроєм «введення» буде не око і не світлочутливі клітини, мозок і тоді зуміє нас зорієнтувати. Доказом тому – роботи американського вченого Пола Бач-і-Рита. Створивши матрицю низького дозволу (144 маленьких золотих контакту) на яку подавалася відеокартинка з розгорткою у вигляді електросигнали різної інтенсивності, він доклав контакти … до мови випробуваного, позбавленого зору. Спочатку електросигнали створювали лише відчуття неприємного пощипування, але через якийсь час мозок навчився розпізнавати в цих подразників спрощені обриси навколишніх предметів.

Гра з картинками

Як би там не було, експерименти продовжилися, і до них підключився Моран Серф – особистість вкрай різнобічна. Ізраїльтянин за походженням, він спробував себе в ролі бізнес-консультанта, хакера і одночасно інструктора з комп’ютерної безпеки, а ще художника і автора коміксів, письменника і музиканта. Ось цей-то людина зі спектром талантів, гідним епохи Відродження, взявся створити на основі «нейрона Дженніфер Еністон» і йому подібних щось на зразок нейромашінного інтерфейсу. У якості піддослідних і на цей раз виступили 12 пацієнтів медичного центру ім. Рональда Рейгана при Каліфорнійському університеті. В ході передопераційних досліджень ім впровадили в область серединної скроневої частки по 64 окремих електрода. Паралельно почалися експерименти.

Розвиток наук про вищу нервову діяльність обіцяє неймовірні перспективи: люди зможуть краще зрозуміти себе і впоратися з нині невиліковними недугами. Проблемою залишається морально-правова сторона експериментів над живим людським мозком.

Спочатку цим людям показали 110 зображень поп-культурної тематики. За підсумками цього першого туру було відібрано чотири картинки, побачивши яких у всій дюжини випробовуваних чітко фіксувалося збудження нейронів в різних частинах досліджуваної ділянки кори. Далі на екран виводилися одночасно два зображення, накладених один на одного, причому кожне мало 50% -ної прозорістю, тобто картинки просвічували один через одного. Випробуваному пропонувалося подумки збільшити яскравість одного з двох образів, щоб той завуальований свого «суперника». При цьому нейрон, який відповідає за образ, на якому зосереджувалась увага пацієнта, видавав сильніший електричний сигнал, ніж нейрон, пов’язаний з другим чином. Імпульси фіксувалися електродами, надходили в декодер і перетворювалися в сигнал, керуючий яскравістю (або прозорістю) зображення. Таким чином, роботи думки цілком вистачало, щоб одна картинка починала «забивати» іншу. Коли піддослідним пропонувалося не зусилля, а, навпаки, зробити один з двох образів блідіше, зв’язка «мозок – комп’ютер» знову спрацьовувала.

Чи можливо емулювати головний мозок людини за допомогою комп’ютерної програми, або створити комп’ютер аналогічний мозку?

Поки такого аналога не існує, проте наука рухається в цьому напрямку. Треба розуміти, що будь-електронні обчислювачі нерідко називають «мозком» в реальності ЕОМ і мозок конструктивно не мають практично нічого спільного. Крім того, якщо комп’ютер є творінням людського розуму і принципи його роботи фахівцям досконально відомі і описані до останньої коми, то до повного розуміння того, що відбувається під черепною коробкою, наука неймовірно далека. Завдання вчених, задіяних в проекті Blue Brain, профінансувати урядом Швейцарії та здійснюваним у співпраці з корпорацією IBM, полягає, таким чином, не в тому, щоб створити електронного конкурента мозку. Зрештою, багато спеціалізовані завдання типу математичних розрахунків комп’ютер давно робить незрівнянно краще, ніж наше «сіра речовина». Проект має на меті, в якому використовується найпотужніша обчислювальна техніка – створити комп’ютерну 3D-модель, що відбувається всередині мозку, і потім з її допомогою перевіряти різні гіпотези, пов’язані з його роботою. Мозок людини складається з 100 млрд нейронів, а кількість можливих комбінацій, що можуть виникнути при їх з’єднанні перевищує число атомів у Всесвіті, тому братися за завдання таких масштабів дослідники поки не зважилися. Йдеться лише про побудову моделі нейронної колонки неокортексу щури. Колонка складається «всього лише» з 10 000 нейронів, що утворюють між собою 30 мільйонів синаптичних зв’язків. Модель будується на основі спостережень за реальним мозком, і в ній відбивається індивідуальну поведінку кожного нейрона. При цьому мультипроцесорний штучний «мозок» споживає колосальну кількість електроенергії, а споживана потужність мозку людини – всього 25 Вт.

Світла голова

Коштувала ця захоплююча гра необхідності проводити досліди над живими людьми, тим більше мають серйозні проблеми зі здоров’ям? На думку авторів проекту – коштувала, бо дослідники не тільки задовольняли свої наукові інтереси фундаментального характеру, а й намацували підходи до вирішення цілком прикладних задач. Якщо в мозку існують нейрони (або зв’язки нейронів), що збуджуються при вигляді Дженніфер Еністон, значить, повинні бути і мозкові клітини, що відповідають за більш суттєві для життя поняття і образи. У випадках, коли пацієнт не в змозі говорити або сигналізувати про свої проблеми та потреби жестами, безпосереднє підключення до мозку допоможе медикам дізнатися про потреби хворого від нейронів. Причому чим більше асоціацій буде встановлено, тим більше зможе повідомити про себе людина.

Однак впроваджений в мозок електрод, нехай навіть 50 мкм в поперечнику, – це занадто грубий інструмент для точної адресації конкретного нейрона. Більш тонкий метод взаємодії з нервовими клітинами вже відпрацьовується, хоча важко сказати, коли щось подібне може бути широко застосована по відношенню до людини. Йдеться про оптогенетики, яка передбачає перетворення нервових клітин на генетичному рівні. Одними з піонерів цього напряму вважаються Ед Бойден і Карл Діссерот, які починали свої роботи в Стенфордському університеті. Їх задум полягає в тому, щоб впливати на нейрони з допомогою мініатюрних джерел світла. Для цього клітини, зрозуміло, необхідно зробити світлочутливими. Оскільки фізичні маніпуляції з пересадки світлочутливих білків – опсинів – в окремо взяті клітини відносяться до області практично неможливого, дослідники запропонували … заражати нейрони вірусом. Саме цей вірус запровадить в геном клітин ген, що синтезує світлочутливий білок. У цій технології є кілька потенційних застосувань. Одне з них – це часткове відновлення зору очі з ураженої сітківкою за рахунок повідомлення світлочутливих властивостей збереженим несветочувствітельним клітинам (є успішні досліди на тваринах). Отримуючи викликані падаючим світлом електросигнали, мозок незабаром навчиться працювати з ними і інтерпретувати їх як зображення, нехай і гіршої якості. Інше застосування – робота з нейронами безпосередньо в мозку за допомогою мініатюрних світловодів. Активуючи різні нейрони в мозку тварин за допомогою пучка світла, можна простежити за тим, які поведінкові реакції ці нейрони викликають. Крім цього, «світлове» втручання в мозок в майбутньому може мати і терапевтичне значення.

 

Немає коментарів

залишити коментар

Введіть фразу для пошуку в поле нижче і натисніть Enter