Toimittajan huomautus: Tässä viikoittaisessa sarjassa LiveScience tutkii, kuinka tekniikka ajaa tieteellistä tutkimusta ja löytämistä.
Aivot määrittelevät ihmisen kokemuksen, mutta paljon tästä kolmesta lb: sta. urut ovat edelleen mysteeri. Siitä huolimatta aivojen kuvantamisesta aivojen ja tietokoneiden rajapintoihin tutkijat ovat edistyneet huomattavasti teknologian kehittämisessä mielen sisälle.
Aivojen kuvantaminen
Tällä hetkellä aivot tutkittavat tutkijat voivat tarkastella niiden rakennetta tai toimintaa. Rakenteellisessa kuvantamisessa koneet ottavat otoksia aivojen laaja-alaisesta anatomiasta, joita voidaan käyttää esimerkiksi kasvainten tai verihyytymien diagnosointiin. Toiminnallinen kuvantaminen tarjoaa dynaamisen kuvan aivoista, mikä osoittaa, mitkä alueet ovat aktiivisia ajattelun ja havainnon aikana.
Rakenteellisiin kuvantamistekniikoihin kuuluvat CAT-skannaukset tai tietokoneistettu aksiaalitomografia, joka ottaa kuvia viipaleista aivojen läpi säteilemällä pään röntgensäteitä monista eri kulmista. CAT- tai CT-skannauksia käytetään usein esimerkiksi aivovaurioiden diagnosointiin. Toinen menetelmä, positroniemissiotomografia (PET), tuottaa aivoista sekä 2D- että 3D-kuvia: Vereen injektoitu radioaktiivisesti leimattu kemikaali säteilee gammasäteitä, jotka skanneri havaitsee. Ja magneettikuvaus (MRI) antaa kuvan aivojen kokonaisrakenteesta mittaamalla atomien magneettinen spin voimakkaan magneettikentän sisällä.
"Ei ole epäilystäkään siitä, että MRI on todennäköisesti paras tapa nähdä aivot", sanoi tohtori Mauricio Castillo, radiologi Pohjois-Carolinan yliopistosta Chapel Hillissä ja American Journal of Neuroradiology -lehden päätoimittaja.
Toiminnallisen kuvantamisen alueella nykyinen kultastandardi on toiminnallinen MRI (fMRI). Tämä tekniikka mittaa verenvirtauksen muutoksia eri aivoalueille välityspalvelimena, jonka alueet ovat aktiivisia, kun joku suorittaa tehtävän, kuten lukea sanaa tai katsoa kuvaa.
"Nykyään painopiste on yrittää yhdistää miten aivot on kytketty aivokuoren aktivointiin", Castillo sanoi.
Aivojen rakenteen ja toiminnan yhdistämiseksi voidaan yhdistää useita menetelmiä. Esimerkiksi MRI- ja PET-skannaus voidaan suorittaa samanaikaisesti, ja kuvia voidaan yhdistää osoittamaan fysiologista aktiivisuutta päällekkäin aivojen anatomisen kartan kanssa. Lopputulosta voidaan käyttää kertomaan kirurgille aivovaurion sijainti, jotta se voidaan poistaa, Castillo sanoi.
Viime aikoina on kehitetty uusi tekniikka kirjaimellisesti näkemiseksi aivojen sisällä. Nimeltään CLARITY (alun perin kirkasta lipidivaihdettua akryyliamidia hybridisoidulle jäykälle kuvantamiselle / immunosäteilylle / in situ -hybridisaatiolle yhteensopiva Tissue-hYdrogeeli), se voi tehdä (ei-elävästä) aivosta läpinäkyvän valon kanssa pitäen sen rakenteen ehjänä. Tekniikkaa on jo käytetty aikuisen hiiren aivojen neurologisten johdotusten visualisointiin.
Ajatusten dekoodaus
Jotkut tutkijat haluavat nähdä aivojen sisäpiirin kuvaamisemmin. Syötä aivojen ja tietokoneiden rajapinnat (BCI: t tai BMI: t, aivojen ja koneiden rajapinnat), laitteet, jotka yhdistävät aivosignaalit ulkoiseen laitteeseen, kuten tietokone tai proteesi raajat. BCI: t vaihtelevat ei-invasiivisista järjestelmistä, jotka koostuvat päänahan sijoitetuista elektrodoista, invasiivisempiin järjestelmiin, jotka vaativat elektrodien implantoinnin itse aivoihin.
Ei-invasiivisiin BCI: iin sisältyy päänahan perustuva elektroenkefalografia (EEG), joka tallentaa monien neuronien aktiivisuuden suurilla aivoalueilla. EEG-pohjaisten järjestelmien etuna on, että ne eivät vaadi leikkausta. Toisaalta, nämä järjestelmät voivat havaita vain yleistyneen aivojen toiminnan, joten käyttäjän on keskitettävä ajatuksensa vain yhteen tehtävään.
Invasiivisempiin järjestelmiin sisältyy sähkökortikografia (ECoG), jossa elektrodit implantoidaan aivojen pintaan aivokuoren EEG-signaalien tallentamiseksi. Koska Wilder Penfield ja Herbert Jasper olivat edelläkävijöitä tekniikassa 1950-luvun alkupuolella, sitä on käytetty muun muassa tunnistamaan aivoalueet, joilla epileptiset kohtaukset alkavat.
Jotkut BCI: t käyttävät elektrodeja, jotka on istutettu aivojen aivokuoren sisään. Vaikka nämä järjestelmät ovat invasiivisempia, niiden resoluutio on paljon parempi ja ne voivat poimia yksittäisten hermosolujen lähettämät signaalit. BCI: t voivat nyt jopa antaa paraplegiaa (kaikkien neljän raajan halvaantuneita) ihmisiä hallitsemaan robottivartta pelkästään ajatuksen kautta tai antaa käyttäjien ilmaista sanoja tietokoneen näytöllä vain heidän mielensä avulla.
Monista edistyksistä huolimatta aivoista on paljon tuntematonta. Tämän kuilun kaventamiseksi amerikkalaiset tutkijat aloittavat uuden ihmisen aivojen kartoittamishankkeen, jonka presidentti Barack Obama julkaisi huhtikuussa ja jota kutsutaan BRAIN-aloitteeksi (Brain Research via Promoting Innovative Neurotechnologies).
Mutta neurotieteilijöiden työ on leikattu heidän puolestaan. "Aivot ovat todennäköisesti maailmankaikkeuden monimutkaisin kone", Castillo sanoi. "Olemme vielä kaukana ymmärtää sitä."
