Redaktørens merknad: I denne ukeserien utforsker LiveScience hvordan teknologi driver vitenskapelig utforskning og oppdagelse.
Menneskelig erfaring er definert av hjernen, men mye om denne 3-lb. orgel forblir et mysterium. Likevel, fra hjernebehandling til hjerne-datamaskin-grensesnitt, har forskere gjort imponerende fremskritt i å utvikle teknologier for å kikke seg inn i sinnet.
Imaging hjernen
For tiden kan forskere som studerer hjernen se på strukturen eller funksjonen. Ved strukturell avbildning tar maskiner øyeblikksbilder av hjernens storskala anatomi som for eksempel kan brukes til å diagnostisere svulster eller blodpropp. Funksjonell avbildning gir et dynamisk syn på hjernen, som viser hvilke områder som er aktive under tenking og persepsjon.
Strukturelle avbildningsteknikker inkluderer CAT-skanninger, eller datastyrt aksial tomografi, som tar bilder av skiver gjennom hjernen ved å stråle røntgenstråler i hodet fra mange forskjellige vinkler. CAT- eller CT-skanninger brukes ofte for å diagnostisere en hjerneskade, for eksempel. En annen metode, positron emission tomography (PET), genererer både 2D- og 3D-bilder av hjernen: Et radioaktivt merket kjemisk stoff som injiseres i blodet avgir gammastråler som en skanner oppdager. Og magnetisk resonansavbildning (MRI) gir et syn på hjernens generelle struktur ved å måle den magnetiske spinn av atomer i et sterkt magnetfelt.
"Det er ingen tvil om at MR sannsynligvis er den beste måten å se hjernen på," sier Dr. Mauricio Castillo, radiolog ved University of North Carolina i Chapel Hill og sjefredaktør for American Journal of Neuroradiology.
Når det gjelder funksjonell avbildning, er den gjeldende gullstandarden funksjonell MR (fMRI). Denne teknikken måler endringer i blodstrømmen til forskjellige hjerneområder som en fullmakt for hvilke områder som er aktive når noen utfører en oppgave som å lese et ord eller se et bilde.
"Vektleggingen i dag er å prøve å slå sammen hvordan hjernen er kablet med aktiveringen av cortex," sa Castillo.
Flere metoder kan kombineres for å slå sammen hjernestruktur og funksjon. For eksempel kan MR- og PET-skanning utføres samtidig, og bildene kan kombineres for å vise fysiologisk aktivitet lagt på et anatomisk kart over hjernen. Sluttresultatet kan brukes til å fortelle en kirurg hvor en hjerneskade befinner seg, slik at den kan fjernes, sa Castillo.
Nylig har en ny teknikk blitt utviklet for å bokstavelig talt se inne i hjernen. Kalt CLARITY (opprinnelig for Clear Lipid-utvekslet akrylamid-hybridisert stiv bildebehandling / immunforsvarende / in situ hybridiseringskompatibel vev-hYdrogel), og kan gjøre en (ikke-levende) hjerne gjennomsiktig for lys mens den holder strukturen intakt. Teknikken har allerede blitt brukt for å visualisere den nevrologiske ledningen til en voksen mushjerne.
Avkoding av tanker
Noen forskere ønsker å se inni hjernen mer billedlig. Legg inn hjerne-datamaskin-grensesnitt (BCI-er eller BMI-er, hjerne-maskin-grensesnitt), enheter som kobler hjernesignaler til en ekstern enhet, for eksempel en datamaskin eller proteselem. BCIs spenner fra ikke-invasive systemer som består av elektroder plassert i hodebunnen, til mer inngripende som krever at elektrodene blir implantert i selve hjernen.
Ikke-invasive BCI-er inkluderer hodebunnsbasert elektroencefalografi (EEG), som registrerer aktiviteten til mange nevroner over store hjerneområder. Fordelen med EEG-baserte systemer er at de ikke trenger kirurgi. På den annen side kan disse systemene bare oppdage generalisert hjerneaktivitet, så brukeren må fokusere tankene sine på bare en enkelt oppgave.
Flere invasive systemer inkluderer elektrokortikografi (ECoG), der elektroder blir implantert på overflaten av hjernen for å registrere EEG-signaler fra cortex. Siden Wilder Penfield og Herbert Jasper var banebrytende for teknikken på begynnelsen av 1950-tallet, har den blant annet blitt brukt til å identifisere hjerneregioner der epileptiske anfall begynner.
Noen BCI-er bruker elektroder implantert i hjernens hjernebark. Selv om disse systemene er mer invasive, har de mye bedre oppløsning og kan hente signalene som sendes av individuelle nevroner. BCI-er kan nå til og med tillate mennesker med paraplegi (lammelse av alle fire lemmer) å kontrollere en robotarm gjennom tanken alene, eller la brukerne stave ord på en dataskjerm med bare sitt sinn.
Til tross for mange fremskritt, er mye fortsatt ukjent om hjernen. For å bygge bro over dette gapet, innleder amerikanske forskere et nytt prosjekt for å kartlegge den menneskelige hjernen, kunngjort av president Barack Obama i april, kalt BRAIN-initiativet (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies).
Men nevrovitenskapsmenn har arbeidet sitt kuttet ut for dem. "Hjernen er sannsynligvis den mest komplekse maskinen i universet," sa Castillo. "Vi er fremdeles langt fra å forstå det."
