211service.com
Osiem sposobów, w jakie naukowcy odkrywają tajemnice ludzkiego mózgu
Nhung Le
Nie ma większej naukowej tajemnicy niż mózg. Składa się głównie z wody; znaczna część reszty jest w dużej mierze gruba. Jednak ta mniej więcej trzy funtowa plama materiału wytwarza nasze myśli, wspomnienia i emocje. Reguluje sposób, w jaki wchodzimy w interakcję ze światem i kieruje naszym ciałem. Coraz częściej naukowcy zaczynają odkrywać zawiłości tego, jak to działa i rozumieć, w jaki sposób 86 miliardów neuronów w ludzkim mózgu tworzy połączenia, które wytwarzają idee i uczucia, a także zdolność komunikowania się i reagowania. Oto nasza krótka wycieczka po niektórych z najbardziej nowatorskich badań — i dlaczego jest to ważne.
W jaki sposób zbiór komórek tworzy myśli i zachowania?
Co to jest:
Neuronaukowcy zajmujący się funkcjami poznawczymi i behawioralnymi badają, w jaki sposób białka, geny i struktury naszego mózgu powodują powstawanie zachowań i procesów umysłowych. Jak mózg uczy się i zapamiętuje rzeczy? Jak podejmuje decyzje? Jak przetwarza i reaguje na świat?
Dlaczego jest to ważne:
Ta historia była częścią naszego wydania z września 2021 r.
- Zobacz resztę numeru
- Subskrybuj
Zrozumienie pamięci może pomóc nam w leczeniu choroby Alzheimera; zrozumienie poszukiwania nagrody może pomóc w rozwiązaniu problemu uzależnienia; zrozumienie emocji może dostarczyć nowych wskazówek dotyczących zapobiegania depresji.
Krawędź tnąca:
Sheena Josselyn, neurobiolog ze szpitala Hospital for Sick Children w Toronto, bada, jak i gdzie mózg przechowuje wspomnienia. Mówi, że identyfikacja obwodów neuronalnych – połączonych grup neuronów – odpowiedzialnych za przechowywanie określonych wspomnień, może być kluczem do leczenia zaburzeń pamięci, ponieważ nie jest optymalne podawanie komuś leku, który wpływa na cały mózg.
Powiązana historia
Dlaczego czujesz się samotny? Neuronauka zaczyna znajdować odpowiedzi. Poszukiwanie przez neurologa samotności może pomóc nam lepiej zrozumieć koszty izolacji społecznej.Nie możemy traktować mózgu jak miski zupy – jeśli dodamy trochę oregano, wszystko wyjdzie lepiej, mówi Josselyn. Musimy dokładnie zrozumieć, gdzie chcemy kierować rzeczy. Aby stworzyć bardziej precyzyjnie ukierunkowane terapie, chce lepiej zrozumieć neurony i obwody nerwowe, które są ważne w tworzeniu, przechowywaniu i przywoływaniu wspomnień.
Niedawno laboratorium Josselyn zidentyfikowało: nowa ścieżka, która jest ważna dla odzyskania starszych wspomnień . Ta ścieżka prowadzi z hipokampa – regionu mózgu kontrolującego uczenie się i pamięć – do wzgórza, które działa jako swego rodzaju stacja przekazująca informacje sensoryczne w mózgu. Kiedy naukowcy wyłączyli tę ścieżkę u myszy, zwierzęta pamiętały doświadczenie z poprzedniego dnia, ale nie z poprzedniego miesiąca.
Kay Tye, profesor neuronauki w Instytucie Salka, bada ścieżki neuronowe związane z uczeniem się i emocjami, takimi jak samotność, aby rzucić światło na nadużywanie substancji i lęk. Laboratorium Tye zidentyfikowało ścieżka neuronowa pomaga kierować zachowaniem, gdy jednoczesne sygnały sygnalizują pozytywne i negatywne wyniki.
Następna granica:
Kiedy lepiej zrozumiemy regiony mózgu, ścieżki i neuroprzekaźniki zaangażowane w pamięć, lęk i strach – oraz jak można je zmienić – możemy opracować bardziej precyzyjne strategie leczenia chorób.
To jest w twoich genach
Co to jest:
Dziedzina neurogenetyki bada wpływ genów na strukturę i funkcję układu nerwowego.
AksamitDlaczego jest to ważne:
Jeśli uda nam się zidentyfikować rolę genów, być może będziemy w stanie dokładniej i dokładniej diagnozować zaburzenia mózgu, a nawet interweniować, aby zatrzymać ich postęp.
Krawędź tnąca:
Steven McCarroll, dyrektor ds. neurobiologii genomowej w Stanley Center for Psychiatric Research w Broad Institute, zajmuje się badaniem genów związanych ze schizofrenią. We współpracy z zespołem badaczy zidentyfikował warianty w gen związany z zaburzeniem ; warianty te wygenerowały więcej białka zaangażowanego w znakowanie synaps (połączeń między neuronami) w celu usunięcia.
Kiedy McCarroll i jego koledzy zwiększyli ekspresję genu u myszy, myszy miały mniej synaps . Ich pamięć robocza została osłabiona, a ich zachowania społeczne zmieniły się. Naukowcy uważają, że te zmiany genetyczne mogą być związane z: straty synaps oraz zmiany behawioralne obserwowane u osób ze schizofrenią.
Ying-Hui Fu, profesor neurologii na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Francisco, zidentyfikowała trzy różne mutacje genów które zmniejszają ilość snu potrzebnego ludziom.
Jeden z nich chroni nawet przed problemami z pamięcią, zwykle związanymi z brakiem snu.
Inni badacze szukają geny, które utrzymują ludzi we względnie zdrowym nawet jeśli niosą inne geny, które narażają je na ryzyko wystąpienia choroby Alzheimera o wczesnym początku.
Następna granica:
Dzięki określeniu, w jaki sposób geny przyczyniają się do chorób, naukowcy mogą opracować metody leczenia, być może stosując leki blokujące działanie białka wytwarzanego przez gen wywołujący chorobę lub naśladujące działanie genu ochronnego. Badane są również terapie genowe w celu wyciszenia szkodliwych genów. Takie leczenie choroby neurologicznej stwardnienie zanikowe boczne (ALS) został dopuszczony do procesu w USA; próba terapii genowej dla Choroba Huntingtona jest w toku.
Inżynieria mózgu
Co to jest:
Neuroinżynierowie szukają sposobów na połączenie układu nerwowego, w tym mózgu, z maszynami. Urządzenia eksperymentalne mogą przełożyć aktywność neuronów na tekst lub sprawić, że poruszają one sztuczną kończyną; niektóre przekształcają informacje ze sztucznych czujników w stymulację nerwów, którą mózg może zrozumieć.
Dlaczego jest to ważne:
Technologia może teraz pomóc przywrócić zdolność komunikowania się, odczuwania wrażeń i poruszania się u osób sparaliżowanych lub poddanych amputacji. Implanty stymulujące mózg mogą również oferować nowe sposoby leczenia padaczka , chroniczny ból , oraz ślepota .
Powiązana historia
Chirurg, który chce połączyć Cię z Internetem za pomocą implantu mózgu Eric Leuthardt wierzy, że w niedalekiej przyszłości pozwolimy lekarzom wstawiać elektrody do naszych mózgów, abyśmy mogli komunikować się bezpośrednio z komputerami i między sobą.Krawędź tnąca:
Neuroinżynierowie ze Stanford wykorzystują pomiary aktywności mózgu, aby pomóc w przywróceniu funkcji u osób sparaliżowanych. Ostatnio, pracując z mężczyzną sparaliżowanym od szyi w dół, naukowcy wszczepiono dwie macierze maleńkich elektrod w części mózgu odpowiedzialnej za ruch ręki. Gdy mężczyzna wyobrażał sobie pisanie listów, naukowcy wykorzystali uczenie maszynowe do przetłumaczenia aktywności jego mózgu na litery na ekranie. Używając tego systemu, mężczyzna mógł pisać 90 liter na minutę – więcej niż podwojenie poprzedniego rekordu pisania na klawiaturze poprzez aktywność mózgu.
W przyszłości urządzenia te mogą usprawnić funkcje poznawcze, umożliwić komunikację między mózgiem a mózgiem lub stworzyć ultrarealistyczne doświadczenia wirtualnej rzeczywistości obejmujące wszystkie nasze zmysły.
Inni neuroinżynierowie pracują nad protezą, która może przekazywać informacje sensoryczne z powrotem do użytkownika. Luke Osborn, neuroinżynier z Johns Hopkins University, pracuje nad sposobami przekazywania różnych rodzajów wrażeń u osób po amputacji poprzez stymulację nerwów w kończynie nad miejscem amputacji. Do tej pory urządzenia mogą przenosić odczucia ucisku, a nawet łagodny ból. Odczucia bólu są krytycznym źródłem informacji, mówi Osborn, informując nas, kiedy robimy coś niebezpiecznego.
Następna granica:
Urządzenia łączące mózgi i komputery mogą potencjalnie służyć nie tylko do przywracania utraconych funkcji, ale także do zwiększania zdolności naszych mózgów. W przyszłości urządzenia te mogą usprawnić funkcje poznawcze, umożliwić komunikację między mózgiem a mózgiem lub stworzyć ultrarealistyczne doświadczenia wirtualnej rzeczywistości obejmujące wszystkie nasze zmysły.
Jak zrobić mózg
Co to jest:
Neuronauka rozwojowa bada, w jaki sposób struktura i funkcja mózgu zmieniają się w czasie w miarę dojrzewania organizmu. Jak poszczególne neurony znajdują drogę do właściwego miejsca w mózgu?
Dlaczego jest to ważne:
Zrozumienie rozwoju mózgu – i tego, co powoduje, że się nie udaje – może pomóc nam w radzeniu sobie z takimi stanami jak małogłowie, autyzm i ADHD. A jeśli wiemy, jak wydarzenia przed urodzeniem i w dzieciństwie wpływają na strukturę i funkcję rozwijającego się mózgu, będziemy mogli lepiej dać dzieciom najlepszą szansę na zdrowy rozwój.
Krawędź tnąca:
Madeline Lancaster z Laboratorium Biologii Molekularnej Medical Research Council w Wielkiej Brytanii bada rozwój mózgu za pomocą organoidów, trójwymiarowych skupisk komórek pochodzących z ludzkich komórek macierzystych, które samoorganizują się w miniaturowy, uproszczony, ale nadal przypominający mózg organ. Aby dokładniej modelować ludzki mózg, tworzy organoidy, które żyją dłużej oraz naśladować różne typy struktur mózgu.
Stosując to podejście, Lancaster odkrył, że białko o nazwie ZEB2 ma kluczowe znaczenie dla regulacji niezwykłej ekspansji rozwojowej, która sprawia, że ludzki mózg jest o wiele większy niż mózg małpy. Zrozumienie procesów rządzących wielkością mózgu może pomóc nam lepiej zrozumieć przyczyny małogłowie i innych zaburzeń, w których mózg płodu nie rozwija się prawidłowo.
Powiązana historia
Małe skupiska mózgu oferują nowe wskazówki dotyczące przyczyny autyzmu Organoidy mózgu wytworzone z komórek macierzystych pacjentów z autyzmem mogą pomóc naukowcom określić czynniki prowadzące do zaburzenia.Ważny jest również rozwój mózgu, który następuje po urodzeniu. Rebecca Saxe z MIT pracuje nad zrozumieniem struktur mózgu i czynności odpowiedzialnych za poznanie społeczne, co pozwala nam wziąć pod uwagę stany psychiczne innych ludzi.
Saxe odkrył coś szczególnego obszar mózgu to jest kluczowe; badając, jak zmienia się aktywność w tym regionie i innych przez całe dzieciństwo , może być w stanie zrozumieć, jak rozwijają się zdolności społeczne. Odkryła również, że te wzorce aktywności mózgu są zmienione u osób z: Zaburzenia ze spektrum autyzmu .
Następna granica:
Mimo że naukowcy zaczynają rozumieć niektóre procesy rządzące rozwojem i zidentyfikowali rzeczy, które mogą go wykoleić, jesteśmy dalecy od możliwości interweniowania w przypadku wystąpienia takich problemów. Ale gdy zdobędziemy wgląd, pewnego dnia będziemy mogli przetestować terapie lub inne sposoby rozwiązania tych problemów rozwojowych.
Komputery imitujące mózg
Co to jest:
Neuronaukowcy obliczeniowi wykorzystują modele matematyczne, aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób sieci komórek mózgowych pomagają nam interpretować to, co widzimy i słyszymy, integrować nowe informacje, tworzyć i przechowywać wspomnienia oraz podejmować decyzje.
Dlaczego to ważne:
Zrozumienie, w jaki sposób aktywność neuronów rządzi poznaniem i zachowaniem, może pomóc w poprawie pamięci lub zrozumieniu procesów chorobowych.
Krawędź tnąca:
Terry Sejnowski, neurobiolog obliczeniowy w Instytucie Salka, zbudował model komputera kory przedczołowej i przeanalizował jej działanie na zadaniu, w którym osoba (lub maszyna) musi sortować karty według stale zmieniającej się reguły. Podczas gdy ludzie świetnie się przystosowują, maszyny generalnie mają problemy. Ale komputer Sejnowskiego, który imituje schematy przepływu informacji obserwowane w mózgu, dobrze sobie z tym poradził. Badania te mogą pomóc maszynom myśleć bardziej jak ludzie i szybciej przystosowywać się do nowych warunków.
Aude Oliva, dyrektor MIT w MIT-IBM Watson AI Lab, używa narzędzi obliczeniowych do modelowania i przewidywania, jak mózgi postrzegają i zapamiętują informacje wizualne. Jej badania pokazują, że różne obrazy skutkować pewnymi wzorcami aktywności zarówno w korze małpy, jak iw modelach sieci neuronowych, i że te wzorce przewidują, jak niezapomniany będzie dany obraz.
Następna granica:
Badania takie jak badania Sejnowskiego mogą zainspirować inteligentniejsze maszyny, ale mogą również pomóc nam zrozumieć zaburzenia, w których zmienia się funkcja kory przedczołowej, w tym schizofrenia, demencja i skutki urazu głowy.
Dlaczego rzeczy się rozpadają?
Co to jest:
Naukowcy próbują określić genetyczne i środowiskowe czynniki ryzyka chorób neurodegeneracyjnych, a także mechanizmy leżące u podstaw tych chorób.
AksamitDlaczego to ważne:
Poprawa profilaktyki, wczesnego wykrywania i leczenia chorób takich jak choroba Alzheimera, Parkinsona, Huntingtona, przewlekła traumatyczna encefalopatia i ALS przyniosłaby korzyści milionom ludzi na całym świecie.
Krawędź tnąca:
Yakeel Quiroz z Massachusetts General Hospital bada zmiany w strukturze i funkcji mózgu, które występują przed wystąpieniem objawów Alzheimera. Poszukuje biomarkerów, które mogłyby zostać wykorzystane do wczesnego wykrywania choroby i próby wskazania potencjalnych celów terapeutycznych. Jeden potencjalny biomarker choroby Alzheimera o wczesnym początku że odkryła – białko zwane NfL – jest podwyższone we krwi ponad dwie dekady przed pojawieniem się objawów. Quiroz zidentyfikował również kobietę z ochronna mutacja genetyczna to powstrzymało ją przed rozwojem zaburzeń poznawczych i degeneracji mózgu, mimo że jej mózg wykazywał wysoki poziom amyloidu, białka związanego z rozwojem Alzheimera. Badanie skutków tej korzystnej mutacji może doprowadzić do opracowania nowych terapii.
Naukowcy z Inicjatywa Wczesnego Wykrywania Chorób Neurodegeneracyjnych w Wielkiej Brytanii analizują, czy dane cyfrowe gromadzone przez smartfony lub urządzenia do noszenia mogą dawać wczesne ostrzeżenia o chorobie, zanim pojawią się objawy. Jedna z inicjatyw projektowanie — partnerstwo z Boston University — będzie gromadzić dane za pomocą aplikacji, śledzenia aktywności i snu u osób z demencją i bez, aby zidentyfikować możliwe cyfrowe podpisy choroby.
Następna granica:
Gdy dowiadujemy się więcej o przyczynach chorób neurodegeneracyjnych, naukowcy starają się przełożyć tę wiedzę na skuteczne terapie. Obecnie trwają zaawansowane badania kliniczne ukierunkowane na nowo poznane mechanizmy choroby dla wielu zaburzeń neurodegeneracyjnych, w tym: Choroba Alzheimera , choroba Parkinsona , oraz JAK .
Wszystko jest połączone
Co to jest:
Naukowcy z dziedziny Connectomics mapują i analizują połączenia neuronalne, tworząc schemat połączeń dla mózgu.
Dlaczego to ważne:
Zrozumienie tych połączeń rzuci światło na funkcjonowanie mózgu; wiele projektów bada, w jaki sposób połączenia w skali makro są zmieniane podczas rozwój , starzenie się , lub choroba .
Krawędź tnąca:
Mapowanie tych połączeń nie jest łatwe — może ich być aż 100 bilionów połączeń w ludzkim mózgu i wszystkie są malutkie. Naukowcy muszą znaleźć najlepsze sposoby oznaczania konkretnych neuronów i śledzenia połączeń, jakie tworzą z innymi neuronami w odległych częściach mózgu, udoskonalić technologię zbierania tych obrazów i dowiedzieć się, jak analizować góry danych, które wytwarza ten proces.
Współpraca, w której uczestniczyli informatyk Google Viren Jain i neuronaukowiec z Harvardu Jeff Lichtman, niedawno ukończyli: najbardziej szczegółowa mapa wycinka ludzkiego mózgu kiedykolwiek wyprodukowane. Obrazując jeden milimetr sześcienny mózgu na poziomie nanoskali, zmapowali 50 000 komórek i ponad 130 milionów synaps, co dało 1,4 petabajta danych. Wcześniej Lichtman pomagał się rozwijać Mózg , technika umożliwiająca kolorowe oznaczanie poszczególnych neuronów u żywych zwierząt, umożliwiając naukowcom śledzenie połączeń neuronalnych.
Powiązana historia
To jest mapa pół miliarda połączeń w maleńkim fragmencie mózgu myszy Nasze mózgi nie różnią się tak bardzo od mózgów myszy, a ogromny nowy zestaw danych pozwala nam bliżej przyjrzeć się obu.
Sebastian Seung, neurobiolog obliczeniowy z Princeton, był pionierem techniki, która wykorzystuje crowdsourcing i uczenie maszynowe do przekształcania surowych obrazów w użyteczne trójwymiarowe mapy neuronalne, ze zidentyfikowanymi synapsami i sklasyfikowanymi typami komórek. W pierwszym projekcie o nazwie EyeWire , naukowcy-obywatele pomogli w mapowaniu neuronów w siatkówce. Aktualny projekt, FlyWire , to ambitny projekt mapowania połączeń neuronalnych w całym mózgu muszki owocowej.
Instytut Allena w Seattle, ważny gracz w badaniach nad łącznością mózgu, udostępnia swoje mapy mózgowe opinii publicznej. A mysz atlas łączności mózgu że jest skompilowany zawiera mapy specyficzne dla typu komórki połączeń między wzgórzem (stacją przekaźnikową sensoryczną i ruchową) a korą.
Następna granica:
Mapowanie poszczególnych połączeń neuronalnych w ludzkim mózgu to nie lada wyczyn. Istnieją również różnice zarówno między osobami, jak i wewnątrz nich – połączenia prawdopodobnie zmienią się wraz z rozwojem, nauką i starzeniem się naszego mózgu. Tworzenie indywidualnych map mózgu w mikroskali dla każdego prawdopodobnie zapewniłoby nam bezprecedensowy poziom wglądu, ale na razie to odległy sen.
Zdrowie psychiczne
Co to jest:
Dlaczego i jak rozwijają się choroby psychiczne i zaburzenia mózgu, nadal pozostaje w dużej mierze tajemnicą. Neuronaukowcy wykorzystują neuroobrazowanie, genetykę, biochemię, uczenie maszynowe, badania behawioralne i nie tylko, aby zrozumieć przyczyny molekularne i środowiskowe.
AksamitDlaczego to ważne:
Choroba psychiczna jest główną przyczyną niepełnosprawności na całym świecie. Około 264 milionów ludzi cierpi na depresję, 45 milionów na chorobę afektywną dwubiegunową, a 20 milionów na schizofrenię.
Krawędź tnąca:
Satrajit Ghosh, neurolog z MIT, wykorzystuje wzorce mowy i neuroobrazowanie do poprawy oceny zdrowia psychicznego u ludzi. W perspektywie krótkoterminowej Ghosh ma nadzieję, że można to wykorzystać do poprawy diagnozy, a istnieją już dowody na to, że może pomóc przewidzieć, którzy pacjenci zareagują na poszczególne terapie. Ale w przyszłości, jak mówi Ghosh, chcemy być w stanie coś zmierzyć, przewidzieć jakiś przyszły stan i… dostosować zachowanie w locie, aby nigdy nie trafić w ten stan.
Powiązana historia
Jak naprawić swój zepsuty mózg po pandemii? Życie pod pandemią namieszało w naszych mózgach. Na szczęście zostały zaprojektowane tak, aby się odbijały.
Terapie wykorzystujące stymulację mózgu zapewniają nowe możliwości leczenia zaburzeń obsesyjno-kompulsywnych (OCD). Głęboka stymulacja mózgu — w którym elektrody są wszczepiane do mózgu — zapewnia znaczną ulgę niektórym osobom, u których OCD nie reaguje na inne terapie. Mniej inwazyjne formy stymulacji nerwowej również wykazały obiecujące wczesne wyniki. Zaledwie pięć dni nieinwazyjny stymulacja mózgu zmniejszenie zachowań obsesyjno-kompulsywnych przez trzy miesiące u osób, które wykazywały pewne objawy OCD.
Naukowcy robią postępy w zrozumieniu i leczeniu zaburzeń związanych z używaniem substancji, identyfikując wzorce łączności mózgu, które: zwiększyć lub zmniejszyć ryzyko uzależnienia . Być może pewnego dnia ścieżki neuronowe, które pomagają ludziom oprzeć się uzależnieniu, zostaną wzmocnione terapeutycznie.
Narkotyki kiedyś klasyfikowane jako rekreacyjne są badane pod kątem leczenia chorób psychicznych. W 2019 r. amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków zatwierdzona esketamina do leczenia depresji opornej na leczenie po raz pierwszy od 30 lat lek z nowym mechanizmem działania zostało zatwierdzone dla warunku. Niedawno, a badanie kliniczne III stopnia wykazali, że osoby z zespołem stresu pourazowego, które otrzymywały MDMA (znane również jako Ecstasy) wraz z tradycyjną terapią, znacznie poprawiły się w porównaniu z osobami, które otrzymywały samą terapię. Psilocybina – aktywny składnik grzybów magicznych – jest w badaniach klinicznych dla leczenie depresji, zaburzeń związanych z nadużywaniem alkoholu, OCD, anoreksji i innych.
Następna granica:
Pewnego dnia pacjenci z zaburzeniami mózgu mogą być oceniani i leczeni na podstawie ich genetyki, wraz z biomarkerami i skanami aktywności mózgu.
Naukowcy badają, jak genetyka może kierować wyborem leczenia pacjentów z depresją , w jaki sposób łączność w obszarach mózgu, takich jak ciało migdałowate może prowadzić do bardziej spersonalizowanego zrozumienia zaburzeń związanych ze strachem i lękiem oraz tego, w jaki sposób krwiopochodne biomarkery mogą śledzić odpowiedź na leczenie w depresji i chorobie afektywnej dwubiegunowej.