Σημείωση του συντάκτη: Σε αυτήν την εβδομαδιαία σειρά, το LiveScience διερευνά πώς η τεχνολογία οδηγεί στην επιστημονική εξερεύνηση και την ανακάλυψη.
Η ανθρώπινη εμπειρία ορίζεται από τον εγκέφαλο, όμως πολλά γι 'αυτό το 3-lb. το όργανο παραμένει ένα μυστήριο. Ακόμα κι έτσι, από την απεικόνιση του εγκεφάλου έως τις διεπαφές εγκεφάλου-ηλεκτρονικού υπολογιστή, οι επιστήμονες έχουν κάνει εντυπωσιακά βήματα στην ανάπτυξη τεχνολογιών για να αναζητήσουν μέσα στο μυαλό.
Απεικονίζοντας τον εγκέφαλο
Σήμερα, οι επιστήμονες που μελετούν τον εγκέφαλο μπορούν να δουν τη δομή ή τη λειτουργία του. Στη δομική απεικόνιση, τα μηχανήματα λαμβάνουν στιγμιότυπα της μεγάλης κλίμακας ανατομίας του εγκεφάλου που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διάγνωση όγκων ή θρόμβων αίματος, για παράδειγμα. Η λειτουργική απεικόνιση παρέχει μια δυναμική άποψη του εγκεφάλου, δείχνοντας ποιες περιοχές είναι ενεργές κατά τη διάρκεια της σκέψης και της αντίληψης.
Οι τεχνικές διαρθρωτικής απεικόνισης περιλαμβάνουν CAT σαρώσεις ή ηλεκτρονική αξονική τομογραφία, η οποία παίρνει εικόνες φετών μέσω του εγκεφάλου με ακτινοβολία ακτίνων Χ στο κεφάλι από πολλές διαφορετικές γωνίες. CAT, ή CT, οι σαρώσεις χρησιμοποιούνται συχνά για τη διάγνωση τραυματισμού εγκεφάλου, για παράδειγμα. Μια άλλη μέθοδος, τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων (ΡΕΤ), παράγει τόσο 2D όσο και 3D εικόνες του εγκεφάλου: Μια ραδιενεργά επισημασμένη χημική ουσία που εγχέεται στο αίμα εκπέμπει ακτίνες γάμμα που ανιχνεύει ένας σαρωτής. Και η απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού (MRI) παρέχει μια άποψη της συνολικής δομής του εγκεφάλου μετρώντας τη μαγνητική περιστροφή των ατόμων μέσα σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο.
"Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι η μαγνητική τομογραφία είναι ίσως ο καλύτερος τρόπος για να δείτε τον εγκέφαλο", δήλωσε ο Δρ. Mauricio Castillo, ακτινολόγος στο Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας στο Chapel Hill και αρχισυντάκτης του αμερικανικού περιοδικού Neuroradiology.
Στον τομέα της λειτουργικής απεικόνισης, το σημερινό πρότυπο χρυσού είναι η λειτουργική μαγνητική τομογραφία (fMRI). Αυτή η τεχνική μετρά τις αλλαγές στη ροή του αίματος σε διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου ως μεσολάβηση για τις οποίες οι περιοχές είναι ενεργές όταν κάποιος εκτελεί μια εργασία όπως η ανάγνωση μιας λέξης ή η προβολή μιας εικόνας.
"Η σημερινή έμφαση είναι να προσπαθήσουμε να συγχωνεύσουμε πώς ο εγκέφαλος συνδέεται με την ενεργοποίηση του φλοιού", δήλωσε ο Καστίγιο.
Αρκετές μέθοδοι μπορούν να συνδυαστούν για τη συγχώνευση της δομής και της λειτουργίας του εγκεφάλου. Για παράδειγμα, η σάρωση μαγνητικής τομογραφίας και PET μπορεί να πραγματοποιηθεί ταυτόχρονα και οι εικόνες μπορούν να συνδυαστούν για να επιδείξουν φυσιολογική δραστηριότητα που υπερτίθεται σε έναν ανατομικό χάρτη του εγκεφάλου. Το τελικό αποτέλεσμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να πει στο χειρουργό τη θέση μιας εγκεφαλικής βλάβης, ώστε να μπορεί να αφαιρεθεί, είπε ο Καστίγιο.
Πρόσφατα, έχει αναπτυχθεί μια νέα τεχνική για να δείτε κυριολεκτικά μέσα στον εγκέφαλο. Ονομάζεται CLARITY (αρχικά για το Clear Hybridized Acrylamide Hybridized Imaging / Immunostaining / In situ υβριδοποίησης συμβατό ιστό-υδρογέλη), μπορεί να κάνει έναν (μη βιώσιμο) εγκέφαλο διαφανή στο φως ενώ διατηρεί την δομή του άθικτη. Η τεχνική έχει ήδη χρησιμοποιηθεί για την απεικόνιση της νευρολογικής καλωδίωσης ενός εγκεφάλου ποντικού ενηλίκου.
Αποκωδικοποιώντας τις σκέψεις
Μερικοί επιστήμονες θέλουν να δουν μέσα στον εγκέφαλο περισσότερο παραστατικά. Εισάγετε διασυνδέσεις εγκεφάλου-υπολογιστή (BCI ή BMI, διεπαφές εγκεφάλου-μηχανής), συσκευές που συνδέουν εγκεφαλικά σήματα σε εξωτερική συσκευή, όπως υπολογιστή ή προσθετικό άκρο. Τα BCI κυμαίνονται από μη επεμβατικά συστήματα που αποτελούνται από ηλεκτρόδια τοποθετημένα στο τριχωτό της κεφαλής, σε πιο επεμβατικά που απαιτούν την εμφύτευση των ηλεκτροδίων στον ίδιο τον εγκέφαλο.
Τα μη επεμβατικά BCI περιλαμβάνουν την ηλεκτροεγκεφαλογραφία με βάση το κρανίο (EEG), η οποία καταγράφει τη δραστηριότητα πολλών νευρώνων σε μεγάλες περιοχές του εγκεφάλου. Το πλεονέκτημα των συστημάτων με βάση το EEG είναι ότι δεν απαιτούν χειρουργική επέμβαση. Από την άλλη πλευρά, αυτά τα συστήματα μπορούν να ανιχνεύσουν μόνο τη γενικευμένη εγκεφαλική δραστηριότητα, οπότε ο χρήστης πρέπει να εστιάσει τις σκέψεις του σε ένα μόνο έργο.
Τα περισσότερα επεμβατικά συστήματα περιλαμβάνουν την ηλεκτροκορτικογραφία (ECoG), στην οποία εμφυτεύονται ηλεκτρόδια στην επιφάνεια του εγκεφάλου για την καταγραφή των σημάτων EEG από τον φλοιό. Δεδομένου ότι οι Wilder Penfield και Herbert Jasper πρωτοστάτησαν την τεχνική στις αρχές της δεκαετίας του '50, χρησιμοποιήθηκε, μεταξύ άλλων σκοπών, για τον εντοπισμό των περιοχών του εγκεφάλου όπου αρχίζουν οι επιληπτικές κρίσεις.
Ορισμένα BCI χρησιμοποιούν ηλεκτρόδια εμφυτευμένα μέσα στον φλοιό του εγκεφάλου. Αν και αυτά τα συστήματα είναι πιο επεμβατικά, έχουν πολύ καλύτερη ανάλυση και μπορούν να πάρουν τα σήματα που στέλνουν οι μεμονωμένοι νευρώνες. Τα BCI μπορούν τώρα να επιτρέψουν στους ανθρώπους με παραπληγία (παράλυση και των τεσσάρων άκρων) να ελέγχουν ένα ρομποτικό χέρι μέσω της σκέψης και να επιτρέπουν στους χρήστες να γράφουν λέξεις σε οθόνη υπολογιστή χρησιμοποιώντας μόνο το μυαλό τους.
Παρά τις πολλές προόδους, πολλά παραμένουν άγνωστα για τον εγκέφαλο. Για να γεφυρωθεί αυτό το κενό, Αμερικανοί επιστήμονες ξεκινούν ένα νέο πρόγραμμα για τον χάρτη του ανθρώπινου εγκεφάλου, που ανακοινώθηκε από τον Πρόεδρο Μπαράκ Ομπάμα τον Απρίλιο, που ονομάζεται πρωτοβουλία BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies).
Αλλά οι νευροεπιστήμονες έχουν το έργο τους αποκομμένο για αυτούς. "Ο εγκέφαλος είναι ίσως το πιο περίπλοκο μηχάνημα του σύμπαντος", δήλωσε ο Καστίγιο. «Είμαστε ακόμα πολύ μακριά από την κατανόηση».
