211service.com
Otte måder, hvorpå videnskabsmænd pakker den menneskelige hjernes mysterier op
Nhung Le
Der er ikke noget større videnskabeligt mysterium end hjernen. Det er for det meste lavet af vand; meget af resten er stort set fedt. Alligevel producerer denne cirka tre kilo tunge klat materiale vores tanker, minder og følelser. Det styrer, hvordan vi interagerer med verden, og det styrer vores krop. I stigende grad begynder videnskabsmænd at optrevle kompleksiteten af, hvordan det virker, og forstå, hvordan de 86 milliarder neuroner i den menneskelige hjerne danner de forbindelser, der producerer ideer og følelser, såvel som evnen til at kommunikere og reagere. Her er vores fløjtende rundvisning i nogle af de mest banebrydende forskning – og hvorfor det er vigtigt.
Hvordan skaber en samling af celler tanker og adfærd?
Hvad er det:
Kognitive og adfærdsmæssige neuroforskere studerer, hvordan proteiner, gener og strukturerne i vores hjerner giver anledning til adfærd og mentale processer. Hvordan lærer og husker hjernen ting? Hvordan træffer den beslutninger? Hvordan behandler og reagerer det på verden?
Hvorfor det er vigtigt:
Denne historie var en del af vores september 2021-udgave
- Se resten af problemet
- Abonner
At forstå hukommelsen kan hjælpe os med at behandle Alzheimers; forståelse af belønningssøgning kan hjælpe med at tackle afhængighed; forståelse af følelser kan give nye spor om at forebygge depression.
Forkant:
Sheena Josselyn, en neuroforsker ved Hospital for Syge Børn i Toronto, studerer, hvordan og hvor hjernen gemmer minder. Hun siger, at identifikation af de neurale kredsløb - indbyrdes forbundne grupper af neuroner - der er ansvarlige for at gemme specifikke minder, kan være nøglen til behandling af hukommelsesforstyrrelser, fordi det ikke er optimalt blot at give nogen et lægemiddel, der påvirker hele hjernen.
Relateret historie
Hvorfor føler du dig ensom? Neurovidenskaben begynder at finde svar. En neurovidenskabsmands jagt på ensomhed kan hjælpe os til bedre at forstå omkostningerne ved social isolation.Vi kan ikke behandle hjernen som en skål suppe - hvis vi tilføjer en lille smule oregano, vil alt komme bedre ud, siger Josselyn. Vi skal forstå præcis, hvor vi vil målrette tingene. For at skabe mere præcist målrettede behandlinger ønsker hun bedre at forstå de neuroner og neurale kredsløb, der er vigtige for at danne og huse og genkalde en hukommelse.
For nylig identificerede Josselyns laboratorium en ny vej, der er vigtig for at hente ældre minder . Denne vej fører fra hippocampus - en hjerneregion, der styrer indlæring og hukommelse - til thalamus, der fungerer som en slags sensorisk informationsrelæstation i hjernen. Da forskerne slukkede for denne vej hos mus, kunne dyrene huske en oplevelse fra dagen før, men ikke en fra den foregående måned.
Kay Tye, en neurovidenskabsprofessor ved Salk Institute, studerer de neurale veje, der er involveret i læring og i følelser som ensomhed for at kaste lys over stofmisbrug og angst. Tyes laboratorium har identificeret en neural vej der hjælper med at guide adfærd, når samtidige signaler signalerer positive og negative resultater.
Den næste grænse:
Når vi bedre forstår hjerneregionerne, veje og neurotransmittere involveret i hukommelse, angst og frygt – og hvordan disse kan ændres – kan vi udvikle mere præcise strategier til at behandle sygdomme.
Det ligger i dine gener
Hvad er det:
Området neurogenetik udforsker, hvordan gener påvirker strukturen og funktionen af nervesystemet.
FløjlHvorfor det er vigtigt:
Hvis vi kan identificere genernes rolle, vil vi måske være i stand til at diagnosticere hjernesygdomme mere præcist og præcist eller endda gribe ind for at standse deres fremskridt.
Forkant:
Steven McCarroll, direktør for genomisk neurobiologi for Broad Institute's Stanley Center for Psychiatric Research, studerer gener relateret til skizofreni. I samarbejde med et team af forskere har han identificeret varianter i en gen forbundet med lidelsen ; disse varianter genererede mere af et protein involveret i tagging af synapser (forbindelser mellem neuroner) til fjernelse.
Da McCarroll og hans kolleger øgede ekspressionen af genet i mus, musene endte med færre synapser . Deres arbejdshukommelse blev svækket, og deres sociale adfærd ændrede sig. Forskere mener, at disse genetiske variationer kan være relateret til synapstab og adfærdsændringer observeret hos mennesker med skizofreni.
Ying-Hui Fu, professor i neurologi ved University of California San Francisco, har identificeret tre forskellige genmutationer som reducerer mængden af søvn, folk har brug for.
En af dem beskytter endda mod de hukommelsesproblemer, der normalt er forbundet med søvnmangel.
Andre forskere leder efter gener, der holder folk relativt sunde selv når de bærer andre gener, der sætter dem i fare for tidligt opstået Alzheimers sygdom.
Den næste grænse:
Ved at identificere, hvordan gener bidrager til sygdomme, kan forskere muligvis udvikle behandlinger, måske ved at bruge lægemidler til at blokere virkningen af et protein produceret af et sygdomsfremkaldende gen eller til at efterligne virkningerne af et beskyttende. Genterapier udforskes også for at dæmpe de skadelige gener. Sådan en behandling for den neurologiske sygdom Amyotrofisk lateral sklerose (ALS) er blevet godkendt til forsøg i USA; et forsøg med genterapi til Huntingtons sygdom er i gang.
Konstruere hjernen
Hvad er det:
Neuroingeniører leder efter måder at forbinde nervesystemet, herunder hjernen, til maskiner. Eksperimentelle anordninger kan oversætte neuronal aktivitet til tekst eller få den til at bevæge et kunstigt lem; nogle konverterer information fra kunstige sensorer til nervestimulation, som hjernen kan forstå.
Hvorfor det er vigtigt:
Teknologien kan nu hjælpe med at genoprette evnen til at kommunikere, føle fornemmelser og bevæge sig i mennesker, der er lammede eller har gennemgået amputationer. Hjernestimulerende implantater kan også tilbyde nye måder at behandle på epilepsi , kronisk smerte , og blindhed .
Relateret historie
Kirurgen, der ønsker at forbinde dig til internettet med et hjerneimplantat Eric Leuthardt mener, at vi i den nærmeste fremtid vil tillade læger at indsætte elektroder i vores hjerner, så vi kan kommunikere direkte med computere og hinanden.Forkant:
Neuroingeniører hos Stanford bruger målinger af hjerneaktivitet til at hjælpe med at genoprette funktionen hos mennesker, der er lammet. For nylig arbejdede forskerne med en mand, der var lam fra halsen og ned implanterede to arrays af bittesmå elektroder i en del af hans hjerne, der er ansvarlig for håndbevægelse. Mens manden forestillede sig at skrive bogstaver, brugte forskerne maskinlæring til at oversætte hans hjerneaktivitet til bogstaver på en skærm. Ved at bruge dette system kunne manden skrive 90 bogstaver i minuttet - mere end en fordobling af den tidligere rekord for at skrive via hjerneaktivitet.
I fremtiden kan disse enheder forbedre kognition, give os mulighed for at kommunikere hjerne til hjerne eller skabe ultrarealistiske virtuelle virkelighedsoplevelser, der inkorporerer alle vores sanser.
Andre neuroingeniører arbejder på proteser, der kan overføre sensorisk information tilbage til brugeren. Luke Osborn, en neuroingeniør ved Johns Hopkins University, arbejder på måder at overføre forskellige typer fornemmelser hos mennesker, der har gennemgået amputationer, ved at stimulere nerver i lemmen over amputationsstedet. Indtil videre kan enhederne overføre trykfornemmelser og endda mild smerte. Smertefornemmelser er en kritisk informationskilde, siger Osborn og fortæller os, hvornår vi måske gør noget usikkert.
Den næste grænse:
Enheder, der forbinder hjerner og computere, kan potentielt bruges ikke kun til at genoprette funktioner, der er gået tabt, men også til at forbedre vores hjernes evner. I fremtiden kan disse enheder forbedre kognition, give os mulighed for at kommunikere hjerne til hjerne eller skabe ultrarealistiske virtuelle virkelighedsoplevelser, der inkorporerer alle vores sanser.
Hvordan man laver en hjerne
Hvad er det:
Udviklingsneurovidenskab udforsker, hvordan hjernens struktur og funktion ændres over tid, efterhånden som en organisme modnes. Hvordan finder individuelle neuroner vej til det rigtige sted i hjernen?
Hvorfor det er vigtigt:
At forstå hjernens udvikling - og hvad der får den til at gå skævt - kan hjælpe os med at håndtere tilstande som mikrocefali, autisme og ADHD. Og hvis vi ved, hvordan begivenheder før fødslen og i barndommen påvirker strukturen og funktionen af den udviklende hjerne, vil vi være bedre i stand til at give børn det bedste skud på sund udvikling.
Forkant:
Madeline Lancaster, ved Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology i Storbritannien, studerer hjernens udvikling ved hjælp af organoider, tredimensionelle celleklynger afledt af menneskelige stamceller, der selv organiserer sig til et miniature, forenklet – men stadig hjernelignende – organ. For mere præcist at modellere den menneskelige hjerne, skaber hun organoider, der lever længere og efterligne forskellige typer hjernestrukturer.
Ved hjælp af denne tilgang har Lancaster opdaget, at et protein kaldet ZEB2 er afgørende for at regulere den bemærkelsesværdige udviklingsudvidelse, der gør menneskelige hjerner så meget større end abehjerner. At forstå processer, der styrer hjernestørrelsen, kan hjælpe os til bedre at forstå årsagerne til mikrocefali og andre lidelser, hvor fosterhjernen ikke udvikler sig ordentligt.
Relateret historie
Små hjerneklumper giver nye ledetråde til årsagen til autisme Hjerneorganoider fremstillet af stamceller fra autismepatienter kan hjælpe forskere med at bestemme de faktorer, der fører til lidelsen.Hjerneudvikling, der sker efter fødslen, er også vigtig. Rebecca Saxe på MIT arbejder på at forstå de hjernestrukturer og aktiviteter, der er ansvarlige for social kognition, hvilket giver os mulighed for at overveje andre menneskers mentale tilstande.
Saxe har opdaget en bestemt hjerneregion det er nøglen; ved at studere, hvordan aktiviteten i denne region og andre ændrer sig i løbet af barndommen , kan hun måske forstå, hvordan sociale evner udvikler sig. Hun har også fundet ud af, at disse hjerneaktivitetsmønstre er ændret hos mennesker med autismespektrumforstyrrelser .
Den næste grænse:
Selvom forskerne begynder at forstå nogle af de processer, der styrer udviklingen og har identificeret ting, der kan afspore den, er vi langt fra i stand til at gribe ind, når sådanne problemer opstår. Men efterhånden som vi får indsigt, kan vi en dag teste terapier eller andre måder at løse disse udviklingsproblemer på.
Computere, der efterligner hjernen
Hvad er det:
Beregningsneurologer bruger matematiske modeller til bedre at forstå, hvordan netværk af hjerneceller hjælper os med at fortolke, hvad vi ser og hører, integrere ny information, skabe og gemme minder og træffe beslutninger.
Hvorfor det er vigtigt:
At forstå, hvordan neuronernes aktivitet styrer kognition og adfærd, kan føre til måder at forbedre hukommelsen eller forstå sygdomsprocesser på.
Forkant:
Terry Sejnowski, en computerneurobiolog ved Salk Institute, har bygget en computer model af den præfrontale cortex og analyserede dens ydeevne på en opgave, hvor en person (eller maskine) skal sortere kort efter en regel, der altid ændrer sig. Mens mennesker er gode til at tilpasse sig, kæmper maskiner generelt. Men Sejnowskis computer, som efterligner informationsflowmønstre observeret i hjernen, klarede denne opgave godt. Denne forskning kan hjælpe maskiner til at tænke mere som mennesker og hurtigere tilpasse sig nye forhold.
Aude Oliva, MIT-direktøren for MIT-IBM Watson AI Lab, bruger beregningsværktøjer til at modellere og forudsige, hvordan hjerner opfatter og husker visuel information. Hendes forskning viser, at forskellige billeder resultere i bestemte aktivitetsmønstre både i abebarken og i neurale netværksmodeller, og at disse mønstre forudsiger, hvor mindeværdigt et bestemt billede vil være.
Den næste grænse:
Forskning som Sejnowskis kan inspirere til smartere maskiner, men den kan også hjælpe os med at forstå lidelser, hvor funktionen af den præfrontale cortex er ændret, herunder skizofreni, demens og virkningerne af hovedtraumer.
Hvorfor falder tingene fra hinanden?
Hvad er det:
Forskere forsøger at bestemme de genetiske og miljømæssige risikofaktorer for neurodegenerative sygdomme, såvel som sygdommenes underliggende mekanismer.
FløjlHvorfor det er vigtigt:
Forbedring af forebyggelse, tidlig opdagelse og behandling af sygdomme som Alzheimers, Parkinsons, Huntingtons, kronisk traumatisk encefalopati og ALS ville gavne millioner af mennesker rundt om i verden.
Forkant:
Yakeel Quiroz, ved Massachusetts General Hospital, studerer ændringer i hjernens struktur og funktion, der opstår før starten af Alzheimers symptomer. Hun leder efter biomarkører, der kan bruges til tidlig påvisning af sygdommen og forsøger at udpege potentielle mål for terapeutika. En potentiel biomarkør for tidligt debuterende Alzheimers at hun har fundet - et protein kaldet NfL - er forhøjet i blodet mere end to årtier før symptomerne viser sig. Quiroz har også identificeret en kvinde med en beskyttende genetisk mutation som afholdt hende fra at udvikle kognitive svækkelser og hjernedegeneration, selvom hendes hjerne viste høje niveauer af amyloid, et protein, der er involveret i Alzheimers udvikling. At studere virkningerne af denne gavnlige mutation kan føre til nye terapier.
Forskere ved Tidlig påvisning af neurodegenerative sygdomme initiativ i Det Forenede Kongerige analyserer, om digitale data indsamlet af smartphones eller wearables kan give tidlige advarsler om sygdom, før symptomer udvikler sig. Et af initiativerne projekter – et partnerskab med Boston University – vil indsamle data ved hjælp af apps, aktivitetssporing og søvnsporing hos mennesker med og uden demens for at identificere mulige digitale signaturer på sygdom.
Den næste grænse:
Efterhånden som vi lærer mere om de underliggende årsager til neurodegenerative sygdomme, forsøger forskere at omsætte denne viden til effektive behandlinger. Avancerede kliniske forsøg rettet mod nyforståede sygdomsmekanismer er i øjeblikket undervejs for mange neurodegenerative lidelser, bl.a. Alzheimers , Parkinsons , og SOM .
Det hele hænger sammen
Hvad er det:
Connectomics-forskere kortlægger og analyserer neuronale forbindelser og skaber et ledningsdiagram for hjernen.
Hvorfor det er vigtigt:
Forståelse af disse forbindelser vil kaste lys over, hvordan hjernen fungerer; mange projekter undersøger, hvordan forbindelser i makroskala ændres i løbet af udvikling , aldring , eller sygdom .
Forkant:
At kortlægge disse forbindelser er ikke let - der kan være så mange som 100 billioner forbindelser i den menneskelige hjerne , og de er alle små. Forskere skal finde de bedste måder at mærke specifikke neuroner på og spore de forbindelser, de laver til andre neuroner i fjerntliggende dele af hjernen, forfine teknologien til at indsamle disse billeder og finde ud af, hvordan man analyserer de bjerge af data, som denne proces producerer.
Et samarbejde, der omfattede Google-datamatiker Viren Jain og Harvard-neuroforsker Jeff Lichtman, afsluttede for nylig mest detaljerede kort over et udsnit af den menneskelige hjerne nogensinde produceret. Ved at afbilde en kubikmillimeter hjerne på nanoskalaniveau kortlagde de 50.000 celler og mere end 130 millioner synapser, hvilket resulterede i 1,4 petabyte data. Tidligere havde Lichtman været med til at udvikle sig Hjernebue , en teknik, der tillader farvet mærkning af individuelle neuroner i levende dyr, hvilket gør det muligt for forskere at spore neuronale forbindelser.
Relateret historie
Dette er et kort over en halv milliard forbindelser i en lille smule musehjerne Vores hjerner er ikke så forskellige fra musehjerner, og et massivt nyt datasæt giver os et nærmere kig på begge dele.
Sebastian Seung, en computerneuroforsker ved Princeton, var banebrydende for en teknik, der bruger crowdsourcing og maskinlæring til at omdanne rå billeder til brugbare tredimensionelle neuronale kort, med synapser identificeret og celletyper klassificeret. I det første projekt, kaldet EyeWire , hjalp borgerforskere med at kortlægge neuroner i nethinden. Det nuværende projekt, FlyWire , er en ambitiøs indsats for at kortlægge neuronale forbindelser i hele hjernen på en frugtflue.
Allen Institute i Seattle, en vigtig aktør inden for forskning i hjerneforbindelser, gør sine hjernekort tilgængelige for offentligheden. EN mus hjerneforbindelsesatlas at det er kompileret inkluderer celletype-specifikke kort af forbindelser mellem thalamus (en sensorisk og motorisk relæstation) og cortex.
Den næste grænse:
Kortlægning af de individuelle neuronale forbindelser i den menneskelige hjerne er ingen lille bedrift. Der er også variationer både mellem og inden for individer - forbindelser vil sandsynligvis ændre sig, efterhånden som vores hjerner udvikler sig, lærer og ældes. At skabe individuelle hjernekort i mikroskala for alle ville sandsynligvis give os et hidtil uset niveau af indsigt, men for nu er det en fjern drøm.
Mentalt helbred
Hvad er det:
Hvorfor og hvordan psykiatriske sygdomme og hjernesygdomme udvikler sig, er stadig stort set et mysterium. Neurovidenskabsmænd bruger neuroimaging, genetik, biokemi, maskinlæring, adfærdsstudier og mere til at forstå de molekylære og miljømæssige årsager.
FløjlHvorfor det er vigtigt:
Psykisk sygdom er en førende årsag til handicap på verdensplan. Omkring 264 millioner mennesker har depression, 45 millioner har bipolar lidelse, og 20 millioner har skizofreni.
Forkant:
Satrajit Ghosh, en neuroforsker ved MIT, bruger talemønstre og neuroimaging til at forbedre mentale sundhedsvurderinger hos mennesker. På kort sigt håber Ghosh, at dette kan bruges til at forbedre diagnosen, og der er allerede nogle beviser for, at det kan hjælpe med at forudsige, hvilke patienter der vil reagere på hvilke terapier. Men i fremtiden, siger Ghosh, vil vi gerne være i stand til at måle noget, forudsige en fremtidig tilstand og … justere adfærd i farten, så du aldrig rammer den tilstand.
Relateret historie
Sådan reparerer du din ødelagte pandemiske hjerne Livet under covid har rodet med vores hjerner. Heldigvis var de designet til at hoppe tilbage.
Terapi ved hjælp af hjernestimulering giver nye behandlingsmuligheder for obsessiv-kompulsiv lidelse (OCD). Dyb-hjerne-stimulering -hvor elektroder er implanteret i hjernen - giver betydelig lindring for nogle mennesker, hvis OCD ikke reagerer på andre behandlinger. Mindre invasive former for neural stimulation har også vist lovende tidlige resultater. Kun fem dage ikke-invasiv hjernestimulering reduceret obsessiv-kompulsiv adfærd i tre måneder hos personer, der udviste nogle OCD-symptomer.
Forskere gør fremskridt med at forstå og behandle stofbrugsforstyrrelser og identificere hjerneforbindelsesmønstre, der øge eller mindske risikoen for at udvikle en afhængighed . Måske en dag kan nervebaner, der hjælper folk modstå afhængighed, forstærkes terapeutisk.
Narkotika, der engang blev klassificeret som rekreative, udforskes til behandling af psykiske sygdomme. I 2019, US Food and Drug Administration godkendt esketamin til behandlingsresistent depression , første gang i 30 år, at en lægemiddel med en ny mekanisme handling var blevet godkendt for tilstanden. For nylig, a fase 3 klinisk forsøg viste, at personer med posttraumatisk stresslidelse, som modtog MDMA (a.k.a. Ecstasy) sammen med traditionel terapi, forbedrede sig væsentligt sammenlignet med dem, der modtog terapi alene. Psilocybin - den aktive komponent i magiske svampe - er i kliniske forsøg for behandling af depression, alkoholmisbrug, OCD, anoreksi og meget mere.
Den næste grænse:
En dag kan patienter med hjernesygdomme blive vurderet og behandlet baseret på deres genetik sammen med biomarkører og hjerneaktivitetsscanninger.
Forskere undersøger hvordan genetik kunne vejlede behandlingsvalg for patienter med depression , hvordan forbindelse i hjerneområder som amygdala kunne føre til en mere personlig forståelse af lidelser relateret til frygt og angst, og hvordan blodbaseret biomarkører kunne spore behandlingsrespons ved depression og bipolar lidelse.