Hoe onderzoekt de moderne reguliere wetenschap de hersenen?

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

Nog niet zo lang geleden werd er volgens historische maatstaven over de hersenen gesproken als een 'zwarte doos', de processen waarbinnen een mysterie bleef. Recente wetenschappelijke prestaties laten ons niet langer toe om dit zo categorisch te verklaren. Er zijn echter nog veel meer vragen dan eenduidige antwoorden op het gebied van hersenonderzoek.

Het is buitengewoon moeilijk om in dit systeem, dat kosmische numerieke parameters heeft en constant in beweging is, mechanismen te herkennen die gecorreleerd kunnen zijn met wat we geheugen en denken noemen. Soms moet je daarvoor direct in de hersenen doordringen. In de meest directe fysieke zin.

Wat de verdedigers van dieren in het wild ook zeggen, niemand heeft onderzoekers tot nu toe verboden te experimenteren met de hersenen van apen en ratten. Maar als het gaat om het menselijk brein - een levend brein natuurlijk - zijn experimenten daarop om juridische en ethische redenen praktisch onmogelijk. Je kunt alleen in de "grijze materie" komen, zoals ze zeggen, voor het bedrijf met medicijnen.

Draden in mijn hoofd

Een van die kansen die hersenonderzoekers kregen, was de noodzaak van chirurgische behandeling van ernstige gevallen van epilepsie die niet reageren op medicamenteuze behandeling. De oorzaak van de ziekte zijn de aangetaste delen van de mediane temporale kwab. Het zijn deze gebieden die moeten worden verwijderd met behulp van neurochirurgische methoden, maar eerst en vooral moeten ze worden geïdentificeerd zodat, om zo te zeggen, niet "het overtollige afsnijden".

De Amerikaanse neurochirurg Yitzhak Fried van de Universiteit van Californië (Los Angeles) was een van de eersten die in de jaren zeventig de technologie toepaste om elektroden van 1 mm rechtstreeks in de hersenschors in te brengen. Vergeleken met de grootte van zenuwcellen hadden de elektroden cyclopische afmetingen, maar zelfs zo'n ruw instrument was voldoende om het gemiddelde elektrische signaal van een aantal neuronen (van duizend tot een miljoen) te verwijderen.

In principe was dit voldoende om puur medische doelen te bereiken, maar op een gegeven moment werd besloten om het instrument te verbeteren. De millimeterelektrode kreeg voortaan een uiteinde in de vorm van een vertakking van acht dunnere elektroden met een diameter van 50 m.

Dit maakte het mogelijk om de nauwkeurigheid van metingen te vergroten tot aan de fixatie van het signaal van relatief kleine groepen neuronen. Er zijn ook methoden ontwikkeld om het signaal dat door een enkele zenuwcel in de hersenen wordt verzonden, uit de "collectieve" ruis te filteren. Dit alles werd niet gedaan voor medische doeleinden, maar voor puur wetenschappelijke doeleinden.

Wat is hersenplasticiteit?

De plasticiteit van de hersenen is het verbazingwekkende vermogen van ons denkorgaan om zich aan te passen aan veranderende omstandigheden. Als we een vaardigheid aanleren en de hersenen intensief trainen, ontstaat er een verdikking in het gebied van de hersenen dat verantwoordelijk is voor die vaardigheid. De neuronen die zich daar bevinden, creëren extra verbindingen en consolideren de nieuw verworven vaardigheden. In het geval van schade aan een vitaal deel van de hersenen, herontwikkelen de hersenen soms de verloren centra in het intacte gebied.

benoemde neuronen

De onderzoeksobjecten waren mensen die wachtten op een operatie voor epilepsie: terwijl elektroden die waren ingebed in de hersenschors signalen van neuronen lazen om het gebied van chirurgische ingreep nauwkeurig te bepalen, werden onderweg zeer interessante experimenten uitgevoerd. En dit was precies het geval toen de iconen van de popcultuur - Hollywoodsterren, wiens afbeeldingen gemakkelijk herkenbaar zijn voor de meerderheid van de wereldbevolking, echte voordelen voor de wetenschap brachten.

Yitzhak Frida's medewerker, arts en neurofysioloog Rodrigo Kian Quiroga, liet proefpersonen op zijn laptop een selectie van bekende beelden zien, waaronder populaire persoonlijkheden en beroemde bouwwerken zoals het Sydney Opera House.

Toen deze afbeeldingen werden getoond, werd de elektrische activiteit van individuele neuronen in de hersenen waargenomen en verschillende afbeeldingen "schakelden" verschillende zenuwcellen in. Er werd bijvoorbeeld een "Jennifer Aniston-neuron" geïnstalleerd, die "afvuurde" wanneer een portret van deze romantische actrice op het scherm verscheen. Welke foto Aniston ook aan het onderwerp werd getoond, het neuron "haar naam" faalde niet. Bovendien werkte het ook toen er frames uit de beroemde tv-serie op het scherm verschenen, waarin de actrice speelde, ook al stond ze zelf niet in het frame. Maar bij het zien van meisjes die alleen op Jennifer leken, zweeg het neuron.

De bestudeerde zenuwcel, zo bleek, was precies geassocieerd met het holistische beeld van een bepaalde actrice, en helemaal niet met individuele elementen van haar uiterlijk of kleding. En deze ontdekking verschafte, zo niet een sleutel, dan wel een aanwijzing voor het begrijpen van de mechanismen van langetermijngeheugenretentie in het menselijk brein.

Het enige dat ons ervan weerhield vooruitgang te boeken, waren de overwegingen van ethiek en recht, die hierboven werden genoemd. Wetenschappers konden geen elektroden plaatsen in andere delen van de hersenen, behalve die die werden onderworpen aan preoperatief onderzoek, en de studie zelf had een beperkt medisch tijdsbestek.

Dit maakte het erg moeilijk om een antwoord te vinden op de vraag of het neuron van Jennifer Aniston, of Brad Pitt, of de Eiffeltoren echt bestaat, of dat wetenschappers als gevolg van metingen per ongeluk slechts één cel van een heel netwerk tegenkwamen met elkaar verbonden door synaptische verbindingen, die verantwoordelijk zijn voor het behoud of de herkenning van een bepaald beeld.

Spelen met foto's

Hoe het ook zij, de experimenten gingen door en Moran Cerf voegde zich bij hen - een buitengewoon veelzijdige persoonlijkheid. Israëlisch van geboorte, probeerde hij zichzelf uit als bedrijfsadviseur, hacker en tegelijkertijd als computerbeveiligingsinstructeur, evenals als kunstenaar en stripschrijver, schrijver en muzikant.

Het was deze man met een spectrum aan talenten die de Renaissance waardig zijn, die op zich nam om een soort neuromachine-interface te creëren op basis van het Jennifer Aniston-neuron en dergelijke. Dit keer zijn 12 patiënten van het Medisch Centrum vernoemd naar V. I. Ronald Reagan aan de Universiteit van Californië. In de loop van preoperatieve onderzoeken werden 64 afzonderlijke elektroden in het gebied van de mediane temporale kwab ingebracht. Tegelijkertijd begonnen experimenten.

De ontwikkeling van de wetenschappen van hogere zenuwactiviteit belooft ongelooflijke vooruitzichten: mensen zullen zichzelf beter kunnen begrijpen en omgaan met nu ongeneeslijke kwalen. De morele en juridische kant van experimenten op een levend menselijk brein blijft een probleem.

De mensen kregen eerst 110 afbeeldingen te zien van popcultuurthema's. Als resultaat van deze eerste ronde werden vier foto's geselecteerd, bij het zien waarvan de excitatie van neuronen in verschillende delen van het bestudeerde gebied van de cortex duidelijk werd vastgelegd in het hele dozijn onderwerpen. Vervolgens werden twee afbeeldingen tegelijkertijd op het scherm weergegeven, over elkaar heen geplaatst, en elk had 50% transparantie, dat wil zeggen, de afbeeldingen schenen door elkaar heen.

Het onderwerp werd gevraagd om de helderheid van een van de twee afbeeldingen mentaal te verhogen, zodat hij zijn "rivaal" verduisterde. In dit geval produceerde het neuron dat verantwoordelijk was voor het beeld waarop de aandacht van de patiënt was gericht, een sterker elektrisch signaal dan het neuron dat bij het tweede beeld hoort. De pulsen werden gefixeerd door elektroden, gingen de decoder binnen en veranderden in een signaal dat de helderheid (of transparantie) van het beeld regelt.

Dus het denkwerk was voldoende om de ene foto de andere te laten "hameren". Toen de proefpersonen werd gevraagd niet te intensiveren, maar juist een van de twee beelden bleker te maken, werkte de hersen-computerverbinding weer.

Licht hoofd

Was dit opwindende spel het waard om experimenten uit te voeren op levende mensen, vooral mensen met ernstige gezondheidsproblemen? Volgens de auteurs van het project was het de moeite waard, omdat de onderzoekers niet alleen hun wetenschappelijke belangen van fundamentele aard bevredigden, maar ook zochten naar benaderingen om vrij toegepaste problemen op te lossen.

Als er neuronen (of bundels neuronen) in de hersenen zijn die opgewonden zijn bij het zien van Jennifer Aniston, dan moeten er hersencellen zijn die verantwoordelijk zijn voor concepten en beelden die meer essentieel zijn voor het leven. In gevallen waarin de patiënt niet in staat is te spreken of zijn problemen en behoeften met gebaren te signaleren, zal een directe verbinding met de hersenen artsen helpen om de behoeften van de patiënt te leren kennen van neuronen. Bovendien, hoe meer associaties er zijn, hoe meer iemand over zichzelf kan communiceren.

Een elektrode die in de hersenen is ingebed, zelfs als deze 50 micron in diameter is, is echter een te ruw hulpmiddel om nauwkeurig op een specifiek neuron te richten. Een meer subtiele methode van interactie is optogenetica, waarbij de transformatie van zenuwcellen op genetisch niveau betrokken is.

Ed Boyden en Karl Thessot, die hun werk begonnen aan de Stanford University, worden beschouwd als een van de pioniers van deze richting. Hun idee was om op neuronen in te werken met behulp van miniatuurlichtbronnen. Hiervoor moeten de cellen natuurlijk lichtgevoelig worden gemaakt.

Omdat de fysieke manipulaties van het transplanteren van lichtgevoelige eiwitten - opsins - in individuele cellen bijna onmogelijk zijn, suggereerden de onderzoekers … neuronen te infecteren met een virus. Het is dit virus dat een gen zal introduceren dat een lichtgevoelig eiwit synthetiseert in het genoom van cellen.

Deze technologie heeft verschillende potentiële toepassingen. Een daarvan is een gedeeltelijk herstel van het gezichtsvermogen in een oog met een beschadigd netvlies door lichtgevoelige eigenschappen te verlenen aan de resterende niet-lichtgevoelige cellen (er zijn succesvolle experimenten op dieren). Bij het ontvangen van elektrische signalen die door het invallende licht worden veroorzaakt, zullen de hersenen er al snel mee leren werken en ze interpreteren als een beeld, zij het van inferieure kwaliteit.

Een andere toepassing is het werken met neuronen direct in de hersenen met behulp van miniatuur lichtgeleiders. Door met behulp van een lichtstraal verschillende neuronen in de hersenen van dieren te activeren, kan worden nagegaan welke gedragsreacties deze neuronen veroorzaken. Bovendien kan 'lichte' interventie in de hersenen in de toekomst therapeutische waarde hebben.