Опыты налюдях: как исследуют человеческий мозг

      Комментарии к записи Опыты налюдях: как исследуют человеческий мозг отключены

Опыты налюдях: как исследуют человеческий мозг

    Нейроны Это был тот самый случай, в то время, когда настоящую пользу науке принесли иконы поп-культуры — голливудские звезды

Выявить в данной, имеющей космические численные параметры и находящейся в постоянном перемещении совокупности механизмы, каковые возможно было бы соотнести с тем, что мы именуем мышлением и памятью, очень сложно. Иногда для этого приходится попадать конкретно в мозг. В самом прямом физическом смысле.

Что бы в том месте ни говорили защитники живой природы, но экспериментировать над мозгом крыс и макак исследователям до тех пор пока никто не запрещал. Но в то время, когда речь заходит о мозге человека — живом мозге, очевидно, — опыты на нем фактически неосуществимы по соображениям права и этики. Пробраться вовнутрь «серого вещества» возможно только, что именуется, за компанию с медициной.

Провода в голове

Одним из таких шансов, предоставленных исследователям мозговой деятельности, стала необходимость хирургического лечения тяжелых случаев эпилепсии, каковые не поддаются медикаментозной терапии. Обстоятельством заболевания становятся пораженные участки срединной височной доли. Эти области нужно удалить способами нейрохирургии, но в первую очередь их нужно распознать, дабы, так сообщить, не «отхватить лишнего».

Американский нейрохирург Ицхак Фрид из Калифорнийского университета (Лос-Анджелес) еще в 1970-х стал одним из первых, кто применил для данной цели разработку введения конкретно в кору головного мозга электродов толщиной 1 мм. Если сравнивать с размером нервных клеток электроды имели циклопические размеры, но кроме того для того чтобы неотёсанного инструмента хватало, дабы снять усредненный электросигнал от некоего количества нейронов (от тысячи до миллиона).

В принципе, с целью достижения чисто медицинских целей этого хватало, но на каком-то этапе инструмент было решено усовершенствовать. Отныне миллиметровый электрод приобретал окончание в виде разветвления из восьми более узких электродов диаметром 50 мкм. Это разрешило расширить точность замеров впредь до фиксации сигнала от относительно маленьких групп нейронов.

Были кроме этого созданы способы, разрешающие отфильтровать из «коллективного» шума сигнал, отправляемый одной-единственной нервной клеткой мозга. Все это было сделано уже не в медицинских, а в чисто научных целях.

Именные нейроны

Объектом изучений становились люди, ожидавшие операции по поводу эпилепсии: до тех пор пока внедренные в кору мозга электроды считывали сигналы от нейронов для правильного определения территории хирургического вмешательства, попутно проводились очень увлекательные опыты. И это был тот самый случай, в то время, когда настоящую пользу науке принесли иконы поп-культуры — голливудские звезды, чьи образы легко узнаваемы большинством населения планеты.

Сотрудник Ицхака Фрида — доктор и нейрофизиолог Родриго Киан Кирога — демонстрировал испытуемым на экране собственного ноутбука подборку легендарных зрительных образов, среди которых были как популярные личности, так и известные сооружения, наподобие театра оперы и балета в Сиднее. При показе этих картин в мозге наблюдалась электрическая активность отдельных нейронов, причем различные образы «включали» различные нервные клетки.

К примеру, был установлен «нейрон Дженнифер Энистон», что «выстреливал» всегда, в то время, когда на экране появлялся портрет данной актрисы романтического амплуа. Какое бы фото Энистон ни демонстрировали испытуемому, нейрон «ее имени» не подводил. Более того, он срабатывал и тогда, в то время, когда на экране оказались кадры из известного сериала, в котором актриса снималась, пускай кроме того ее самой в кадре не было.

А вот при виде девушек, только похожих на Дженнифер, нейрон молчал.

Исследуемая нервная клетка, как выяснилось, была связана как раз с целостным образом конкретной актрисы, а вовсе не с отдельными элементами ее наружности либо одежды. И это открытие давало если не ключ, то подсказку к пониманию механизмов сохранения долгосрочной памяти в людской мозге. Единственное, что мешало продвигаться дальше, — те самые мысли этики и права, о которых говорилось выше.

Ученые не могли разместить электроды ни в каких вторых областях мозга, не считая тех, что подвергались предоперационному изучению, да и само это изучение имело ограниченные медицинской задачей временные рамки. Это очень затрудняло поиски ответа на вопрос, вправду ли существует нейрон Дженнифер Энистон, либо Брэда Питта, либо Эйфелевой башни, а возможно, в следствии замеров ученые случайно натыкались только на одну клетку из целой связанной между собой синаптическими связями сети, несущей ответственность за сохранение либо узнавание определенного образа.

Игра с картинами

Как бы то ни было, опыты продолжились, и к ним подключился Моран Серф — личность очень разносторонняя. Израильтянин по происхождению, он попытался себя в роли бизнес-консультанта, хакера и в один момент инструктора по компьютерной безопасности, и вдобавок автора и художника комиксов, музыканта и писателя. Вот этот-то человек со спектром талантов, хорошим ренесанса, взялся создать на базе «нейрона Дженнифер Энистон» и ему аналогичных что-то наподобие нейромашинного интерфейса.

В качестве испытуемых и в этом случае выступили 12 больных медицинского центра им. Рональда Рейгана при Калифорнийском университете. На протяжении предоперационных изучений им внедрили в область срединной височной доли по 64 отдельных электрода. Параллельно начались опыты. Сперва этим людям продемонстрировали 110 изображений поп-культурной тематики.

По результатам этого первого тура были отобраны четыре картины, при виде которых у всей дюжины испытуемых четко фиксировалось возбуждение нейронов в различных частях исследуемого участка коры. Потом на экран выводились в один момент два изображения, наложенных друг на друга, причем каждое владело 50%-ной прозрачностью, другими словами картины просвечивали приятель через приятеля. Испытуемому предлагалось в мыслях расширить яркость одного из двух образов, дабы тот затушевал собственного «соперника».

Наряду с этим нейрон, несущий ответственность за образ, на котором сосредотачивалось внимание больного, выдавал более сильный электрический сигнал, чем нейрон, связанный со вторым образом. Импульсы фиксировались электродами, поступали в декодер и преобразовывались в сигнал, управляющий яркостью (либо прозрачностью) изображения. Так, работы мысли в полной мере хватало, дабы одна картина начинала «забивать» другую.

В то время, когда испытуемым предлагалось не усилить, а, напротив, сделать один из двух образов бледнее, связка «мозг — компьютер» снова срабатывала.

Яркая голова

Стоила ли эта увлекательная игра необходимости проводить испытания над живыми людьми, тем более имеющими значительные неприятности со здоровьем? Согласно точки зрения авторов проекта — стоила, потому что исследователи не только удовлетворяли собственные научные интересы фундаментального характера, но и нащупывали подходы к ответу в полной мере прикладных задач.

В случае если в мозге существуют нейроны (либо связки нейронов), возбуждающиеся при виде Дженнифер Энистон, значит, должны быть и мозговые клетки, несущие ответственность за более значительные для жизни понятия и образы. В случаях, в то время, когда больной не в состоянии сказать либо сигнализировать о собственных потребностях и проблемах жестами, яркое подключение к мозгу окажет помощь медикам определить о потребностях больного от нейронов. Причем чем больше ассоциаций будет установлено, тем больше сможет сказать о себе человек.

Но внедренный в мозг электрод, пускай кроме того 50 мкм в поперечнике, — это через чур неотёсанный инструмент для правильной адресации конкретному нейрону. Более узкий способ сотрудничества с нервными клетками уже отрабатывается, не смотря на то, что тяжело сообщить, в то время, когда что-то подобное возможно обширно применено в отношении человека. Речь заходит об оптогенетике, которая предполагает преобразование нервных клеток на генетическом уровне.

Одними из пионеров этого направления считаются Эд Бойден и Карл Диссерот, начинавшие свои работы в Стэнфордском университете. Их план содержится в том, дабы влиять на нейроны посредством миниатюрных источников света. Для этого клетки, очевидно, нужно сделать светочувствительными.

Потому, что физические манипуляции по пересадке светочувствительных белков — опсинов — в раздельно забранные клетки относятся к области фактически неосуществимого, исследователи внесли предложение передавать нейроны вирусом. Этот вирус внедрит в геном клеток ген, синтезирующий светочувствительный белок. У данной технологии имеется пара потенциальных применений.

Одно из них — это частичное восстановление зрения глаза с пораженной сетчаткой за счет сообщения светочувствительных особенностей сохранившимся несветочувствительным клеткам (имеется успешные испытания на животных). Приобретая вызванные падающим светом электросигналы, мозг скоро обучится трудиться с ними и трактовать их как изображение, пускай и нехорошего качества. Второе использование — работа с нейронами конкретно в мозге посредством миниатюрных световодов.

Активируя различные нейроны в мозге животных посредством пучка света, возможно проследить за тем, какие конкретно поведенческие реакции эти нейроны вызывают. Кроме этого, «световое» вмешательство в мозг в будущем может иметь и терапевтическое значение.

Что такое пластичность мозга?: Из каких отделов состоит и как выглядит мозг в разрезе, наука знает в далеком прошлом. Но о памяти и механизмах мышления до сих пор известно мало

Пластичностью мозга именуется потрясающая свойство отечественного органа мышления приспосабливаться к изменяющимся событиям. В случае если мы обучаемся какому-либо навыку и интенсивно тренируем мозг, в области мозга, несущей ответственность за данный навык, появляется утолщение. Находящиеся в том месте нейроны создают дополнительные связи, закрепляя снова приобретённые умения.

При поражения крайне важного участка мозга он иногда заново развивает потерянные центры в неповрежденной области.

Создан ли нейромашинный интерфейс, разрешающий парализованным людям руководить роботом-манипулятором?

Да, таковой интерфейс создан. Особенно занимательны в данной связи работы нейроинженера Джона Донохью из Университета Браун (штат Род-Айленд). В возглавляемой им лаборатории создана разработка BrainGate, помогающая парализованным вырваться из «колонии» собственного тела.

Значительно чаще паралич наступает не в следствии поражения головного мозга, а по обстоятельству нарушения коммуникации между головным мозгом и периферийной нервной совокупностью — к примеру, из-за повреждения спинного мозга. В случае если моторная кора цела и функционирует, в нее вставляется маленькой чип с золотыми электродами. Чип считывает сигналы, поступающие от нужных групп нейронов, и преобразует их в команды для компьютера.

В случае если к компьютеру подсоединена роботизированная рука-манипулятор, то достаточно больному поразмыслить о том, как он поднимает собственную руку, и робот тут же выполнит задуманное перемещение. Таким же методом парализованный человек может руководить комплектом текста на компьютере либо перемещать курсор по экрану. Единственное неудобство пребывает в том, что из верхней части черепа торчат провода, но это мелочь если сравнивать с полной неподвижностью.

В будущем, грезит Донохью, электронный чип, имплантированный в мозг, будет руководить не компьютером, а мышцами тела больного через совокупность электростимуляторов, каковые будут вживлены в мускулатуру.

Может ли мозг видеть без глаз?

То, что мы вычисляем зрением, имеется в действительности интерпретация мозгом электросигналов, генерируемых массивом светочувствительных колбочек — и клеток палочек, расположенных на внутренней стороне сетчатки. У сетчатки высокое разрешение — около 126 мегапикселей, в случае если примерно выразить его в параметрах, в которых оценивается матрица цифрового фотоаппарата.

Но в строение глаза заложена масса несовершенств, и окончательная картина — это все-таки итог вычислений, совершённых мозгом. Как раз мозг «заботится» о том, дабы зрительное восприятие создавало нам большие удобства при ориентации в пространстве. Но, как узнается, даже в том случае, если мозгу предложить картину куда более низкого разрешения а также в случае если устройством «ввода» будет не глаз и не светочувствительные клетки, мозг и тогда сумеет нас сориентировать.

Подтверждение тому — работы американского ученого Пола Бач-и-Рита. Создав матрицу низкого разрешения (144 мелких золотых контакта), на которую подавалась видеокартинка с разверткой в виде электросигналов различной интенсивности, он приложил контакты к языку испытуемого, лишенного зрения. Сначала электросигналы создавали только чувство неприятного пощипывания, но некое время спустя мозг обучился распознавать в этих раздражителях упрощенные очертания окружающих предметов.

Вероятно ли эмулировать мозг человека посредством компьютерной программы либо создать компьютер, подобный мозгу?

До тех пор пока для того чтобы аналога не существует, но наука движется в этом направлении. Нужно осознавать, что хоть электронные вычислители часто именуют «мозгом», в действительности ЭВМ и мозг конструктивно не имеют фактически ничего общего. Помимо этого, в случае если компьютер есть творением людской разума и правила его работы экспертам досконально известны и обрисованы до последней запятой, то до полного понимания того, что происходит под черепной коробкой, наука поразительно далека.

Задача ученых, задействованных в проекте Blue Brain, профинансированном правительством Швейцарии и осуществляемом в сотрудничестве с корпорацией IBM, содержится, так, не в том, дабы создать электронного соперника мозгу. В итоге, многие специальные задачи типа математических расчетов компьютер в далеком прошлом делает несравнимо лучше, чем отечественное «серое вещество».

Цель проекта, в котором употребляется замечательнейшая вычислительная техника, — создать компьютерную 3D-модель происходящего в мозга и после этого с ее помощью контролировать разные догадки, которые связаны с его работой. Мозг человека складывается из 100 млрд нейронов, а количество вероятных комбинаций, могущих появиться при их соединении, превышает число атомов во Вселенной, исходя из этого браться за задачу таких масштабов исследователи пока не решились.

Речь заходит только о построении модели нейронной колонки неокортекса крысы. Колонка состоит «всего лишь» из 10000 нейронов, образующих между собой 30 млн синаптических связей. Модель строится на базе наблюдений за настоящим мозгом, и в ней отражается личное поведение каждого нейрона.

Наряду с этим мультипроцессорный неестественный «мозг» испытывает недостаток в большом количестве электричества, а потребляемая мощность мозга человека — всего 25 Вт.

Статья «Они попадают в мозг» размещена в издании «Популярная механика» (№111, январь 2012).

След. «Секреты мозга»


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: