211service.com
Åtte måter forskere pakker opp mysteriene til den menneskelige hjernen
Nhung Le
Det finnes ikke noe større vitenskapelig mysterium enn hjernen. Den består for det meste av vann; mye av resten er stort sett fett. Likevel produserer denne omtrent tre kilo tunge materialet våre tanker, minner og følelser. Det styrer hvordan vi samhandler med verden, og det styrer kroppen vår. I økende grad begynner forskere å avdekke kompleksiteten i hvordan det fungerer og forstå hvordan de 86 milliarder nevronene i den menneskelige hjernen danner forbindelsene som produserer ideer og følelser, samt evnen til å kommunisere og reagere. Her er vår fløytestopp-tur til noen av de mest banebrytende forskningene – og hvorfor det er viktig.
Hvordan skaper en samling av celler tanker og atferd?
Hva det er:
Kognitive og atferdsmessige nevroforskere studerer hvordan proteiner, gener og strukturene i hjernen vår gir opphav til atferd og mentale prosesser. Hvordan lærer og husker hjernen ting? Hvordan tar den beslutninger? Hvordan behandler og reagerer det på verden?
Hvorfor det er viktig:
Denne historien var en del av september 2021-utgaven vår
- Se resten av saken
- Abonnere
Å forstå hukommelsen kan hjelpe oss med å behandle Alzheimers; forståelse av belønningssøking kan bidra til å takle avhengighet; forståelse av følelser kan gi nye ledetråder om å forebygge depresjon.
Skjærkanten:
Sheena Josselyn, en nevroforsker ved Hospital for Sick Children i Toronto, studerer hvordan og hvor hjernen lagrer minner. Hun sier å identifisere de nevrale kretsene – sammenkoblede grupper av nevroner – som er ansvarlige for å lagre spesifikke minner, kan være nøkkelen til å behandle hukommelsesforstyrrelser, fordi det ikke er optimalt å bare gi noen et medikament som påvirker hele hjernen.
Relatert historie
Hvorfor føler du deg ensom? Nevrovitenskap begynner å finne svar. En nevroforskers jakt på ensomhet kan hjelpe oss å bedre forstå kostnadene ved sosial isolasjon.Vi kan ikke behandle hjernen som en skål med suppe – hvis vi tilsetter litt oregano, vil alt komme bedre ut, sier Josselyn. Vi må forstå nøyaktig hvor vi ønsker å målrette ting. For å lage mer presist målrettede behandlinger ønsker hun å bedre forstå nevronene og nevrale kretsløp som er viktige for å danne og huse og gjenkalle et minne.
Nylig identifiserte Josselyns laboratorium en ny vei som er viktig for å hente eldre minner . Denne veien fører fra hippocampus - en hjerneregion som kontrollerer læring og hukommelse - til thalamus, som fungerer som en slags sensorisk informasjonsreléstasjon i hjernen. Da forskerne slo av denne veien i mus, kunne dyrene huske en opplevelse fra dagen før, men ikke en fra forrige måned.
Kay Tye, en nevrovitenskapsprofessor ved Salk Institute, studerer nevrale veier involvert i læring og i følelser som ensomhet for å kaste lys over rusmisbruk og angst. Tyes laboratorium har identifisert en nevrale vei som hjelper til med å veilede atferd når samtidige signaler signaliserer positive og negative utfall.
Den neste grensen:
Når vi bedre forstår hjerneregionene, -veiene og nevrotransmitterne som er involvert i hukommelse, angst og frykt - og hvordan disse kan endres - kan vi utvikle mer presise strategier for å behandle sykdommer.
Det ligger i genene dine
Hva det er:
Feltet nevrogenetikk utforsker hvordan gener påvirker strukturen og funksjonen til nervesystemet.
FløyelHvorfor det er viktig:
Hvis vi kan identifisere geners rolle, kan vi kanskje diagnostisere hjernesykdommer mer presist og nøyaktig, eller til og med gripe inn for å stoppe utviklingen deres.
Skjærkanten:
Steven McCarroll, direktør for genomisk nevrobiologi for Broad Institutes Stanley Center for Psychiatric Research, studerer gener relatert til schizofreni. I samarbeid med et team av forskere har han identifisert varianter i en genet assosiert med lidelsen ; disse variantene genererte mer av et protein involvert i merking av synapser (forbindelser mellom nevroner) for fjerning.
Da McCarroll og kollegene hans økte uttrykket av genet i mus, musene endte opp med færre synapser . Arbeidshukommelsen deres ble svekket, og deres sosiale atferd endret seg. Forskere tror disse genetiske variasjonene kan være relatert til synapsetap og atferdsendringer observert hos personer med schizofreni.
Ying-Hui Fu, professor i nevrologi ved University of California San Francisco, har identifisert tre ulike genmutasjoner som reduserer mengden søvn folk trenger.
En av dem beskytter til og med mot hukommelsesproblemene som vanligvis er forbundet med søvnmangel.
Andre forskere søker etter gener som holder folk relativt friske selv når de bærer på andre gener som setter dem i fare for tidlig debut av Alzheimers sykdom.
Den neste grensen:
Ved å identifisere hvordan gener bidrar til sykdommer, kan forskere være i stand til å utvikle behandlinger, kanskje ved å bruke medisiner for å blokkere virkningen av et protein produsert av et sykdomsfremkallende gen eller for å etterligne handlingene til et beskyttende. Genterapier utforskes også for å dempe de skadelige genene. En slik behandling for den nevrologiske sykdommen amyotrofisk lateral sklerose (ALS) har blitt godkjent for forsøk i USA; en utprøving av genterapi for Huntingtons sykdom er på vei.
Konstruere hjernen
Hva det er:
Nevroingeniører leter etter måter å koble nervesystemet, inkludert hjernen, til maskiner. Eksperimentelle enheter kan oversette neuronal aktivitet til tekst eller få den til å bevege et kunstig lem; noen konverterer informasjon fra kunstige sensorer til nervestimulering som hjernen kan forstå.
Hvorfor det er viktig:
Teknologi kan nå bidra til å gjenopprette evnen til å kommunisere, føle sensasjoner og bevege seg hos mennesker som er lammet eller har gjennomgått amputasjoner. Hjernestimulerende implantater kan også tilby nye måter å behandle på epilepsi , kronisk smerte , og blindhet .
Relatert historie
Kirurgen som vil koble deg til Internett med et hjerneimplantat Eric Leuthardt tror at vi i nær fremtid vil tillate leger å sette inn elektroder i hjernen vår slik at vi kan kommunisere direkte med datamaskiner og hverandre.Skjærkanten:
Nevroingeniører ved Stanford bruker målinger av hjerneaktivitet for å hjelpe til med å gjenopprette funksjon hos mennesker som er lammet. Nylig jobbet forskerne med en mann som var lam fra nakken og ned implanterte to arrays med bittesmå elektroder i en del av hjernen hans som er ansvarlig for håndbevegelser. Mens mannen så for seg å skrive bokstaver, brukte forskerne maskinlæring for å oversette hjerneaktiviteten hans til bokstaver på en skjerm. Ved å bruke dette systemet kunne mannen skrive 90 bokstaver i minuttet – mer enn en dobling av forrige rekord for å skrive via hjerneaktivitet.
I fremtiden kan disse enhetene forbedre kognisjon, tillate oss å kommunisere hjerne til hjerne, eller skape ultrarealistiske virtuelle virkelighetsopplevelser som inkluderer alle sansene våre.
Andre nevroingeniører jobber med proteser som kan overføre sensorisk informasjon tilbake til brukeren. Luke Osborn, en nevroingeniør ved Johns Hopkins University, jobber med måter å overføre forskjellige typer sensasjoner hos mennesker som har gjennomgått amputasjoner ved å stimulere nerver i lemmen over amputasjonsstedet. Så langt kan enhetene overføre trykkfølelser og til og med mild smerte. Smerteopplevelser er en kritisk informasjonskilde, sier Osborn, og forteller oss når vi kanskje gjør noe utrygt.
Den neste grensen:
Enheter som kobler sammen hjerner og datamaskiner kan potensielt brukes ikke bare til å gjenopprette funksjoner som har gått tapt, men også for å forbedre hjernens evner. I fremtiden kan disse enhetene forbedre kognisjon, tillate oss å kommunisere hjerne til hjerne, eller skape ultrarealistiske virtuelle virkelighetsopplevelser som inkluderer alle sansene våre.
Hvordan lage en hjerne
Hva det er:
Utviklingsnevrovitenskap utforsker hvordan strukturen og funksjonen til hjernen endres over tid etter hvert som en organisme modnes. Hvordan finner individuelle nevroner veien til riktig plass i hjernen?
Hvorfor det er viktig:
Å forstå hjernens utvikling - og hva som får den til å gå galt - kan hjelpe oss med å håndtere tilstander som mikrocefali, autisme og ADHD. Og hvis vi vet hvordan hendelser før fødselen og i barndommen påvirker strukturen og funksjonen til den utviklende hjernen, vil vi være bedre i stand til å gi barn den beste muligheten til sunn utvikling.
Skjærkanten:
Madeline Lancaster, ved Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology i Storbritannia, studerer hjerneutvikling ved å bruke organoider, tredimensjonale celleklynger avledet fra menneskelige stamceller som selvorganiserer seg til et miniatyr, forenklet – men fortsatt hjernelignende – organ. For å modellere den menneskelige hjernen mer nøyaktig, skaper hun organoider som lever lenger og etterligne ulike typer hjernestrukturer.
Ved å bruke denne tilnærmingen har Lancaster oppdaget at et protein kalt ZEB2 er avgjørende for å regulere den bemerkelsesverdige utviklingsutvidelsen som gjør menneskelige hjerner så mye større enn apehjerner. Å forstå prosesser som styrer hjernestørrelsen kan hjelpe oss å bedre forstå årsakene til mikrocefali og andre lidelser der fosterhjernen ikke utvikler seg ordentlig.
Relatert historie
Små hjerneklumper gir nye ledetråder om årsaken til autisme Hjerneorganoider laget av stamceller fra autismepasienter kan hjelpe forskere med å finne ut hvilke faktorer som fører til lidelsen.Hjerneutvikling som skjer etter fødselen er også viktig. Rebecca Saxe ved MIT jobber med å forstå hjernestrukturene og aktivitetene som er ansvarlige for sosial kognisjon, noe som lar oss vurdere andre menneskers mentale tilstander.
Saxe har oppdaget en spesiell hjerneregion det er nøkkelen; ved å studere hvordan aktiviteten i denne regionen og andre endrer seg i løpet av barndommen , kan hun være i stand til å forstå hvordan sosiale evner utvikler seg. Hun har også funnet ut at disse hjerneaktivitetsmønstrene er endret hos personer med autismespekterforstyrrelser .
Den neste grensen:
Selv om forskere begynner å forstå noen av prosessene som styrer utviklingen og har identifisert ting som kan avspore den, er vi langt fra å kunne gripe inn når slike problemer oppstår. Men etter hvert som vi får innsikt, kan vi en dag teste terapier eller andre måter å løse disse utviklingsproblemene på.
Datamaskiner som imiterer hjernen
Hva det er:
Beregningsnevroforskere bruker matematiske modeller for å bedre forstå hvordan nettverk av hjerneceller hjelper oss å tolke det vi ser og hører, integrere ny informasjon, skape og lagre minner og ta beslutninger.
Hvorfor det er viktig:
Å forstå hvordan aktiviteten til nevroner styrer kognisjon og atferd kan føre til måter å forbedre hukommelsen eller forstå sykdomsprosesser på.
Skjærkanten:
Terry Sejnowski, en beregningsnevrobiolog ved Salk Institute, har bygget en datamaskinmodell av den prefrontale cortex og analyserte dens ytelse på en oppgave der en person (eller maskin) må sortere kort i henhold til en regel som alltid er i endring. Mens mennesker er gode til å tilpasse seg, sliter maskiner generelt. Men Sejnowskis datamaskin, som imiterer informasjonsflytmønstre observert i hjernen, presterte godt på denne oppgaven. Denne forskningen kan hjelpe maskiner til å tenke mer som mennesker og tilpasse seg raskere til nye forhold.
Aude Oliva, MIT-direktøren for MIT-IBM Watson AI Lab, bruker beregningsverktøy for å modellere og forutsi hvordan hjerner oppfatter og husker visuell informasjon. Hennes forskning viser at forskjellige bilder resultere i visse aktivitetsmønstre både i apebarken og i nevrale nettverksmodeller, og at disse mønstrene forutsier hvor minneverdig et bestemt bilde vil være.
Den neste grensen:
Forskning som Sejnowskis kan inspirere til smartere maskiner, men det kan også hjelpe oss å forstå lidelser der funksjonen til den prefrontale cortex er endret, inkludert schizofreni, demens og effekten av hodetraumer.
Hvorfor faller ting fra hverandre?
Hva det er:
Forskere prøver å bestemme genetiske og miljømessige risikofaktorer for nevrodegenerative sykdommer, så vel som sykdommenes underliggende mekanismer.
FløyelHvorfor det er viktig:
Å forbedre forebygging, tidlig oppdagelse og behandling for sykdommer som Alzheimers, Parkinsons, Huntingtons, kronisk traumatisk encefalopati og ALS vil være til nytte for millioner av mennesker over hele verden.
Skjærkanten:
Yakeel Quiroz, ved Massachusetts General Hospital, studerer endringer i hjernestruktur og funksjon som oppstår før symptomene på Alzheimers begynner. Hun leter etter biomarkører som kan brukes til tidlig oppdagelse av sykdommen og prøver å finne potensielle mål for terapi. En potensiell biomarkør for tidlig debuterende Alzheimers at hun har funnet - et protein kalt NfL - er forhøyet i blodet mer enn to tiår før symptomene dukker opp. Quiroz har også identifisert en kvinne med en beskyttende genetisk mutasjon som holdt henne fra å utvikle kognitive svekkelser og hjernedegenerasjon selv om hjernen hennes viste høye nivåer av amyloid, et protein som er involvert i Alzheimers utvikling. Å studere effekten av denne fordelaktige mutasjonen kan føre til nye terapier.
Forskere ved Initiativ for tidlig påvisning av nevrodegenerative sykdommer i Storbritannia analyserer om digitale data samlet inn av smarttelefoner eller wearables kan gi tidlige advarsler om sykdom før symptomene utvikler seg. Et av initiativene prosjekter – et partnerskap med Boston University – vil samle inn data ved hjelp av apper, aktivitetssporing og søvnsporing hos personer med og uten demens for å identifisere mulige digitale signaturer på sykdom.
Den neste grensen:
Ettersom vi lærer mer om de underliggende årsakene til nevrodegenerative sykdommer, prøver forskere å oversette denne kunnskapen til effektive behandlinger. Avanserte kliniske studier rettet mot nylig forstått sykdomsmekanismer pågår for tiden for mange nevrodegenerative lidelser, inkludert Alzheimers , Parkinsons , og SOM .
Det hele henger sammen
Hva det er:
Connectomics-forskere kartlegger og analyserer nevronale forbindelser, og lager et koblingsskjema for hjernen.
Hvorfor det er viktig:
Å forstå disse sammenhengene vil kaste lys over hvordan hjernen fungerer; mange prosjekter utforsker hvordan makro-skala forbindelser endres i løpet av utvikling , aldring , eller sykdom .
Skjærkanten:
Det er ikke lett å kartlegge disse forbindelsene – det kan være så mange som 100 billioner forbindelser i den menneskelige hjerne , og de er alle små. Forskere må finne de beste måtene å merke spesifikke nevroner og spore forbindelsene de gjør til andre nevroner i fjerntliggende deler av hjernen, avgrense teknologien for å samle inn disse bildene og finne ut hvordan de kan analysere fjellene av data som denne prosessen produserer.
Et samarbeid som inkluderte Googles dataforsker Viren Jain og Harvard-nevrovitenskapsmannen Jeff Lichtman fullførte nylig mest detaljerte kart over en del av den menneskelige hjernen noen gang produsert. Ved å avbilde én kubikkmillimeter hjerne på nanoskalanivå, kartla de 50 000 celler og mer enn 130 millioner synapser, noe som resulterte i 1,4 petabyte med data. Tidligere hadde Lichtman vært med på å utvikle seg Hjernebue , en teknikk som tillater farget merking av individuelle nevroner i levende dyr, noe som gjør det mulig for forskere å spore nevronale forbindelser.
Relatert historie
Dette er et kart over en halv milliard forbindelser i en liten bit av musehjernen Hjernene våre er ikke så forskjellige fra musehjerner, og et massivt nytt datasett gir oss en nærmere titt på begge.
Sebastian Seung, en beregningsnevroforsker ved Princeton, var pioner for en teknikk som bruker crowdsourcing og maskinlæring for å gjøre råbilder til brukbare tredimensjonale nevronale kart, med synapser identifisert og celletyper klassifisert. I det første prosjektet, kalt EyeWire , hjalp borgerforskere med å kartlegge nevroner i netthinnen. Det nåværende prosjektet, FlyWire , er et ambisiøst forsøk på å kartlegge nevronale forbindelser i hele hjernen til en fruktflue.
Allen Institute i Seattle, en viktig aktør innen forskning om hjernetilkobling, gjør hjernekartene sine tilgjengelige for publikum. EN mus hjernetilkoblingsatlas som den er kompilert inkluderer celletypespesifikke kart av forbindelser mellom thalamus (en sensorisk og motorisk reléstasjon) og cortex.
Den neste grensen:
Kartlegging av de individuelle nevronale forbindelsene i den menneskelige hjernen er ingen liten prestasjon. Det er også variasjoner både mellom og innen individer - koblinger vil sannsynligvis endre seg etter hvert som hjernen vår utvikler seg, lærer og eldes. Å lage individuelle hjernekart i mikroskala for alle vil sannsynligvis gi oss et enestående nivå av innsikt, men foreløpig er det en fjern drøm.
Mental Helse
Hva det er:
Hvorfor og hvordan psykiatriske sykdommer og hjernesykdommer utvikler seg er fortsatt stort sett et mysterium. Nevrovitenskapsmenn bruker nevroimaging, genetikk, biokjemi, maskinlæring, atferdsstudier og mer for å forstå de molekylære og miljømessige årsakene.
FløyelHvorfor det er viktig:
Psykisk sykdom er en ledende årsak til funksjonshemming over hele verden. Omtrent 264 millioner mennesker har depresjon, 45 millioner har bipolar lidelse, og 20 millioner har schizofreni.
Skjærkanten:
Satrajit Ghosh, en nevroforsker ved MIT, bruker talemønstre og nevroimaging for å forbedre mentale helsevurderinger hos mennesker. På kort sikt håper Ghosh at dette kan brukes til å forbedre diagnosen, og det er allerede noen bevis på at det kan bidra til å forutsi hvilke pasienter som vil reagere på hvilke terapier. Men i fremtiden, sier Ghosh, ønsker vi å være i stand til å måle noe, forutsi en fremtidig tilstand, og … justere atferd i farten slik at du aldri vil treffe den tilstanden.
Relatert historie
Hvordan reparere din ødelagte pandemiske hjerne Livet under covid har rotet med hjernen vår. Heldigvis ble de designet for å sprette tilbake.
Terapi som bruker hjernestimulering gir nye behandlingsalternativer for tvangslidelser (OCD). Dyphjernestimulering – der elektroder er implantert i hjernen – gir betydelig lindring for noen mennesker hvis OCD ikke reagerer på andre behandlinger. Mindre invasive former for nevral stimulering har også vist lovende tidlige resultater. Bare fem dager ikke-invasiv hjernestimulering redusert obsessiv-kompulsiv atferd i tre måneder hos personer som viste noen OCD-symptomer.
Forskere gjør fremskritt i å forstå og behandle rusmiddelforstyrrelser, identifisere hjernens tilkoblingsmønstre som øke eller redusere risikoen for å utvikle en avhengighet . Kanskje en dag kan nevrale veier som hjelper folk motstå avhengighet forsterkes terapeutisk.
Narkotika som en gang ble klassifisert som rekreasjonsbruk, utforskes for behandling av psykiske lidelser. I 2019, US Food and Drug Administration godkjent esketamin for behandlingsresistent depresjon , første gang på 30 år at en medikament med en ny mekanisme handlingen var godkjent for tilstanden. Mer nylig, a trinn 3 klinisk studie viste at personer med posttraumatisk stresslidelse som fikk MDMA (a.k.a. Ecstasy) sammen med tradisjonell terapi forbedret seg betydelig sammenlignet med de som fikk terapi alene. Psilocybin - den aktive komponenten i magiske sopp - er i kliniske studier for behandling av depresjon, alkoholmisbruk, OCD, anoreksi og mer.
Den neste grensen:
En dag kan pasienter med hjernesykdommer bli vurdert og behandlet basert på deres genetikk, sammen med biomarkører og hjerneaktivitetsskanninger.
Forskere undersøker hvordan genetikk kan veilede behandlingsvalg for pasienter med depresjon , hvordan tilkobling i hjerneregioner som amygdala kan føre til en mer personlig forståelse av lidelser relatert til frykt og angst, og hvordan blodbasert biomarkører kan spore behandlingsrespons ved depresjon og bipolar lidelse.