211service.com
Åtta sätt som forskare avslöjar den mänskliga hjärnans mysterier på
Nhung Le
Det finns inget större vetenskapligt mysterium än hjärnan. Den består mest av vatten; mycket av resten är till stor del fett. Ändå producerar denna ungefär tre kilo tunga klump av material våra tankar, minnen och känslor. Det styr hur vi interagerar med världen, och det styr vår kropp. Alltmer börjar forskare reda ut komplexiteten i hur det fungerar och förstå hur de 86 miljarder nervceller i den mänskliga hjärnan bildar de kopplingar som producerar idéer och känslor, såväl som förmågan att kommunicera och reagera. Här är vår rundtur med visselpipor i några av de mest banbrytande forskningarna – och varför det är viktigt.
Hur skapar en samling celler tankar och beteenden?
Vad det är:
Kognitiva och beteendemässiga neuroforskare studerar hur proteiner, gener och strukturerna i våra hjärnor ger upphov till beteenden och mentala processer. Hur lär sig och minns hjärnan saker? Hur fattar den beslut? Hur bearbetar det och reagerar på världen?
Varför det är viktigt:
Den här historien var en del av vårt septembernummer 2021
- Se resten av frågan
- Prenumerera
Att förstå minnet kan hjälpa oss att behandla Alzheimers; att förstå belöningssökande kan hjälpa till att hantera missbruk; att förstå känslor kan ge nya ledtrådar om att förebygga depression.
Skärkanten:
Sheena Josselyn, neuroforskare vid sjukhuset för sjuka barn i Toronto, studerar hur och var hjärnan lagrar minnen. Hon säger att identifiering av neurala kretsar - sammankopplade grupper av neuroner - som är ansvariga för att lagra specifika minnen kan vara nyckeln för att behandla minnesstörningar, eftersom det inte är optimalt att helt enkelt ge någon ett läkemedel som påverkar hela hjärnan.
Relaterad berättelse
Varför känner du dig ensam? Neurovetenskapen börjar hitta svar. En neurovetares jakt på ensamhet kan hjälpa oss att bättre förstå kostnaderna för social isolering.Vi kan inte behandla hjärnan som en skål med soppa – om vi lägger till lite oregano kommer allt att bli bättre, säger Josselyn. Vi måste förstå exakt var vi vill rikta saker. För att skapa mer exakt riktade behandlingar vill hon bättre förstå de neuroner och neurala kretsar som är viktiga för att forma och hysa och återkalla ett minne.
Nyligen identifierade Josselyns labb en ny väg som är viktig för att hämta äldre minnen . Denna väg leder från hippocampus – en hjärnregion som styr inlärning och minne – till thalamus, som fungerar som en slags sensorisk informationsrelästation i hjärnan. När forskarna stängde av denna väg hos möss kunde djuren komma ihåg en upplevelse från dagen innan men inte en från föregående månad.
Kay Tye, en neurovetenskapsprofessor vid Salk Institute, studerar de nervbanor som är involverade i lärande och i känslor som ensamhet för att belysa missbruk och ångest. Tyes labb har identifierat en neurala vägen som hjälper till att styra beteendet när samtidiga signaler signalerar positiva och negativa resultat.
Nästa gräns:
När vi bättre förstår hjärnregionerna, vägarna och neurotransmittorerna som är involverade i minne, ångest och rädsla – och hur dessa kan förändras – kan vi utveckla mer exakta strategier för att behandla sjukdomar.
Det ligger i dina gener
Vad det är:
Fältet neurogenetik utforskar hur gener påverkar nervsystemets struktur och funktion.
SammetVarför det är viktigt:
Om vi kan identifiera genernas roll kan vi kanske diagnostisera hjärnsjukdomar mer exakt och exakt, eller till och med ingripa för att stoppa deras framsteg.
Skärkanten:
Steven McCarroll, chef för genomisk neurobiologi för Broad Institutes Stanley Center for Psychiatric Research, studerar gener relaterade till schizofreni. I samarbete med ett team av forskare har han identifierat varianter i en gen förknippad med sjukdomen ; dessa varianter genererade mer av ett protein som var involverat i märkning av synapser (kopplingar mellan neuroner) för avlägsnande.
När McCarroll och hans kollegor ökade uttrycket av genen i möss, mössen fick färre synapser . Deras arbetsminne försämrades och deras sociala beteende förändrades. Forskare tror att dessa genetiska variationer kan vara relaterade till synapsförluster och beteendeförändringar som observerats hos personer med schizofreni.
Ying-Hui Fu, professor i neurologi vid University of California San Francisco, har identifierat tre olika genmutationer som minskar mängden sömn människor behöver.
En av dem skyddar till och med mot minnesproblem som normalt förknippas med sömnbrist.
Andra forskare letar efter gener som håller människor relativt friska även när de bär på andra gener som sätter dem i riskzonen för tidigt debuterande Alzheimers sjukdom.
Nästa gräns:
Genom att identifiera hur gener bidrar till sjukdomar kan forskare utveckla behandlingar, kanske genom att använda läkemedel för att blockera verkan av ett protein som produceras av en sjukdomsframkallande gen eller för att efterlikna verkan av en skyddande. Genterapier undersöks också för att tysta de skadliga generna. En sådan behandling för den neurologiska sjukdomen amyotrofisk lateral skleros (ALS) har godkänts för försök i USA; ett försök med genterapi för Huntingtons sjukdom är på gång.
Konstruera hjärnan
Vad det är:
Neuroingenjörer letar efter sätt att koppla nervsystemet, inklusive hjärnan, till maskiner. Experimentella enheter kan översätta neuronal aktivitet till text eller få den att flytta en konstgjord lem; vissa omvandlar information från artificiella sensorer till nervstimulering som hjärnan kan förstå.
Varför det är viktigt:
Tekniken kan nu hjälpa till att återställa förmågan att kommunicera, känna förnimmelser och röra sig hos personer som är förlamade eller har genomgått amputationer. Hjärnstimulerande implantat kan också erbjuda nya sätt att behandla epilepsi , kronisk smärta , och blindhet .
Relaterad berättelse
Kirurgen som vill ansluta dig till Internet med ett hjärnimplantat Eric Leuthardt tror att vi inom en snar framtid kommer att tillåta läkare att sätta in elektroder i våra hjärnor så att vi kan kommunicera direkt med datorer och varandra.Skärkanten:
Neuroingenjörer vid Stanford använder mätningar av hjärnaktivitet för att hjälpa till att återställa funktionen hos människor som är förlamade. Nyligen arbetade forskarna med en man som var förlamad från nacken och nedåt implanterade två arrayer av små elektroder i en del av hans hjärna som ansvarar för handrörelser. När mannen föreställde sig att skriva bokstäver använde forskarna maskininlärning för att översätta hans hjärnaktivitet till bokstäver på en skärm. Med detta system kunde mannen skriva 90 bokstäver per minut - mer än en fördubbling av det tidigare rekordet för att skriva via hjärnaktivitet.
I framtiden kan dessa enheter förbättra kognition, tillåta oss att kommunicera hjärna till hjärna eller skapa ultrarealistiska virtuella verklighetsupplevelser som inkluderar alla våra sinnen.
Andra neuroingenjörer arbetar med proteser som kan överföra sensorisk information tillbaka till användaren. Luke Osborn, en neuroingenjör vid Johns Hopkins University, arbetar på sätt att överföra olika typer av förnimmelser hos personer som har genomgått amputationer genom att stimulera nerver i extremiteten ovanför amputationsstället. Hittills kan enheterna överföra tryckförnimmelser och till och med mild smärta. Smärtförnimmelser är en viktig informationskälla, säger Osborn och låter oss veta när vi kan göra något osäkert.
Nästa gräns:
Enheter som kopplar samman hjärnor och datorer skulle potentiellt kunna användas inte bara för att återställa funktioner som har gått förlorade utan också för att förbättra våra hjärnors förmågor. I framtiden kan dessa enheter förbättra kognition, tillåta oss att kommunicera hjärna till hjärna eller skapa ultrarealistiska virtuella verklighetsupplevelser som inkluderar alla våra sinnen.
Hur man gör en hjärna
Vad det är:
Utvecklingsneurovetenskap utforskar hur hjärnans struktur och funktion förändras över tiden när en organism mognar. Hur hittar enskilda neuroner sin väg till rätt plats i hjärnan?
Varför det är viktigt:
Att förstå hjärnans utveckling – och vad som får den att gå snett – kan hjälpa oss att ta itu med tillstånd som mikrocefali, autism och ADHD. Och om vi vet hur händelser före födseln och under barndomen påverkar strukturen och funktionen hos den utvecklande hjärnan, kommer vi att bättre kunna ge barn den bästa chansen till en hälsosam utveckling.
Skärkanten:
Madeline Lancaster, vid Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology i Storbritannien, studerar hjärnans utveckling med hjälp av organoider, tredimensionella cellkluster som härrör från mänskliga stamceller som självorganiserar sig till ett miniatyr, förenklat – men fortfarande hjärnliknande – organ. För att mer exakt modellera den mänskliga hjärnan skapar hon organoider som lever längre och efterlikna olika typer av hjärnstrukturer.
Med detta tillvägagångssätt har Lancaster upptäckt att ett protein kallas ZEB2 är avgörande för att reglera den anmärkningsvärda utvecklingsexpansion som gör mänskliga hjärnor så mycket större än apans hjärnor. Att förstå processer som styr hjärnans storlek kan hjälpa oss att bättre förstå orsakerna till mikrocefali och andra störningar där fostrets hjärna inte utvecklas ordentligt.
Relaterad berättelse
Små hjärnklumpar ger nya ledtrådar om orsaken till autism Hjärnorganoider gjorda av stamceller från autismpatienter kan hjälpa forskare att fastställa vilka faktorer som leder till sjukdomen.Hjärnutveckling som sker efter födseln är också viktig. Rebecca Saxe på MIT arbetar med att förstå hjärnstrukturerna och aktiviteterna som är ansvariga för social kognition, vilket gör att vi kan ta hänsyn till andra människors mentala tillstånd.
Saxe har upptäckt en speciell hjärnans region det är nyckeln; genom att studera hur aktiviteten i denna region och andra förändras under barndomen , hon kanske kan förstå hur sociala förmågor utvecklas. Hon har också funnit att dessa hjärnaktivitetsmönster förändras hos personer med Autismspektrum störningar .
Nästa gräns:
Även om forskare börjar förstå några av de processer som styr utvecklingen och har identifierat saker som kan spåra ur den, är vi långt ifrån att kunna ingripa när sådana problem uppstår. Men när vi får insikter kan vi en dag testa terapier eller andra sätt att ta itu med dessa utvecklingsproblem.
Datorer som imiterar hjärnan
Vad det är:
Beräkningsneuroforskare använder matematiska modeller för att bättre förstå hur nätverk av hjärnceller hjälper oss att tolka det vi ser och hör, integrera ny information, skapa och lagra minnen och fatta beslut.
Varför det är viktigt:
Att förstå hur neuronernas aktivitet styr kognition och beteende kan leda till sätt att förbättra minnet eller förstå sjukdomsprocesser.
Skärkanten:
Terry Sejnowski, en beräkningsneurobiolog vid Salk Institute, har byggt en datormodell av den prefrontala cortexen och analyserade dess prestanda på en uppgift där en person (eller maskin) måste sortera kort enligt en regel som alltid förändras. Medan människor är bra på att anpassa sig, kämpar maskiner i allmänhet. Men Sejnowskis dator, som imiterar informationsflödesmönster som observerats i hjärnan, presterade bra på denna uppgift. Denna forskning kan hjälpa maskiner att tänka mer som människor och snabbare anpassa sig till nya förhållanden.
Aude Oliva, MIT-chefen för MIT-IBM Watson AI Lab, använder beräkningsverktyg för att modellera och förutsäga hur hjärnor uppfattar och minns visuell information. Hennes forskning visar att olika bilder resultera i vissa aktivitetsmönster både i apcortex och i neurala nätverksmodeller, och att dessa mönster förutsäger hur minnesvärd en viss bild kommer att bli.
Nästa gräns:
Forskning som Sejnowskis kan inspirera smartare maskiner, men den kan också hjälpa oss att förstå störningar där funktionen hos den prefrontala cortex förändras, inklusive schizofreni, demens och effekterna av huvudtrauma.
Varför faller saker samman?
Vad det är:
Forskare försöker fastställa de genetiska och miljömässiga riskfaktorerna för neurodegenerativa sjukdomar, såväl som sjukdomarnas underliggande mekanismer.
SammetVarför det är viktigt:
Att förbättra förebyggande, tidig upptäckt och behandling av sjukdomar som Alzheimers, Parkinsons, Huntingtons, kronisk traumatisk encefalopati och ALS skulle gynna miljontals människor runt om i världen.
Skärkanten:
Yakeel Quiroz, vid Massachusetts General Hospital, studerar förändringar i hjärnans struktur och funktion som inträffar före uppkomsten av Alzheimers symtom. Hon letar efter biomarkörer som kan användas för tidig upptäckt av sjukdomen och försöker lokalisera potentiella mål för terapi. Ett potentiell biomarkör för tidigt debuterande Alzheimers att hon har hittat - ett protein som kallas NfL - är förhöjt i blodet mer än två decennier innan symtomen uppträder. Quiroz har också identifierat en kvinna med en skyddande genetisk mutation som hindrade henne från att utveckla kognitiva störningar och hjärndegeneration även om hennes hjärna visade höga nivåer av amyloid, ett protein som är inblandat i Alzheimers utveckling. Att studera effekterna av denna fördelaktiga mutation kan leda till nya terapier.
Forskare vid Initiativ för tidig upptäckt av neurodegenerativa sjukdomar i Storbritannien analyserar huruvida digital data som samlas in av smartphones eller bärbara enheter kan ge tidiga varningar om sjukdomar innan symtom utvecklas. Ett av initiativen projekt — ett partnerskap med Boston University — kommer att samla in data med hjälp av appar, aktivitetsspårning och sömnspårning hos personer med och utan demens för att identifiera möjliga digitala signaturer av sjukdomar.
Nästa gräns:
När vi lär oss mer om de bakomliggande orsakerna till neurodegenerativa sjukdomar, försöker forskare översätta denna kunskap till effektiva behandlingar. Avancerade kliniska prövningar inriktade på nyligen förstådda sjukdomsmekanismer pågår för närvarande för många neurodegenerativa sjukdomar, inklusive Alzheimers , Parkinsons , och SOM .
Allt hänger ihop
Vad det är:
Connectomics-forskare kartlägger och analyserar neuronala anslutningar och skapar ett kopplingsschema för hjärnan.
Varför det är viktigt:
Att förstå dessa samband kommer att belysa hur hjärnan fungerar; många projekt undersöker hur kopplingar i makroskala förändras under utveckling , åldrande , eller sjukdom .
Skärkanten:
Att kartlägga dessa kopplingar är inte lätt – det kan finnas hur många som helst 100 biljoner kopplingar i den mänskliga hjärnan , och de är alla små. Forskare måste hitta de bästa sätten att märka specifika neuroner och spåra kopplingarna de gör till andra neuroner i avlägsna delar av hjärnan, förfina tekniken för att samla in dessa bilder och ta reda på hur man analyserar de berg av data som denna process producerar.
Ett samarbete som inkluderade Googles datavetare Viren Jain och Harvard-neuroforskaren Jeff Lichtman slutförde nyligen mest detaljerade kartan över en del av den mänskliga hjärnan någonsin producerats. Genom att avbilda en kubikmillimeter hjärna på nanoskalanivå kartlade de 50 000 celler och mer än 130 miljoner synapser, vilket resulterade i 1,4 petabyte data. Tidigare hade Lichtman hjälpt till att utvecklas Hjärnbåge , en teknik som tillåter färgad märkning av individuella neuroner i levande djur, vilket gör det möjligt för forskare att spåra neuronala anslutningar.
Relaterad berättelse
Det här är en karta över en halv miljard anslutningar i en liten bit av mushjärnan Våra hjärnor skiljer sig inte så mycket från mushjärnor, och en enorm ny datauppsättning ger oss en närmare titt på båda.
Sebastian Seung, en beräkningsneuroforskare vid Princeton, banade väg för en teknik som använder crowdsourcing och maskininlärning för att förvandla råa bilder till användbara tredimensionella neuronala kartor, med synapser identifierade och celltyper klassificerade. I det första projektet, som heter EyeWire , hjälpte medborgarforskare att kartlägga neuroner i näthinnan. Det nuvarande projektet, FlyWire , är ett ambitiöst försök att kartlägga neuronala kopplingar i hela hjärnan på en fruktfluga.
Allen Institute i Seattle, en viktig aktör inom forskning om hjärnanslutning, gör sina hjärnkartor tillgängliga för allmänheten. A mus hjärnanslutningsatlas som den är sammanställd inkluderar celltypsspecifika kartor av anslutningar mellan thalamus (en sensorisk och motorisk relästation) och cortex.
Nästa gräns:
Att kartlägga de individuella neuronala kopplingarna i den mänskliga hjärnan är ingen liten bedrift. Det finns också variationer både mellan och inom individer – kopplingar kommer sannolikt att förändras när våra hjärnor utvecklas, lär sig och åldras. Att skapa individuella hjärnkartor i mikroskala för alla skulle sannolikt ge oss en oöverträffad nivå av insikt, men för tillfället är det en fjärran dröm.
Mental hälsa
Vad det är:
Varför och hur psykiatriska sjukdomar och hjärnsjukdomar utvecklas är fortfarande till stor del ett mysterium. Neurovetenskapsmän använder neuroimaging, genetik, biokemi, maskininlärning, beteendestudier och mer för att förstå de molekylära och miljömässiga orsakerna.
SammetVarför det är viktigt:
Psykisk ohälsa är en ledande orsak till funktionshinder över hela världen. Cirka 264 miljoner människor har depression, 45 miljoner har bipolär sjukdom och 20 miljoner har schizofreni.
Skärkanten:
Satrajit Ghosh, en neuroforskare vid MIT, använder talmönster och neuroimaging för att förbättra mentala hälsobedömningar hos människor. På kort sikt hoppas Ghosh att detta kan användas för att förbättra diagnosen, och det finns redan några bevis för att det kan hjälpa till att förutsäga vilka patienter som kommer att svara på vilka terapier. Men i framtiden, säger Ghosh, vill vi kunna mäta något, förutsäga något framtida tillstånd och … justera beteendet i farten så att du aldrig kommer att träffa det tillståndet.
Relaterad berättelse
Hur man lagar din trasiga pandemihjärna Livet under covid har krånglat med våra hjärnor. Lyckligtvis var de designade för att studsa tillbaka.
Behandlinger som använder hjärnstimulering ger nya behandlingsalternativ för tvångssyndrom (OCD). Djup hjärnstimulering — där elektroder implanteras i hjärnan — erbjuder betydande lindring för vissa personer vars OCD inte svarar på andra behandlingar. Mindre invasiva former av neural stimulering har också visat lovande tidiga resultat. Bara fem dagar icke-invasiv hjärnstimulering minskade tvångsmässiga beteenden under tre månader hos personer som visade vissa OCD-symtom.
Forskare gör framsteg när det gäller att förstå och behandla missbruksrubbningar, identifiera hjärnanslutningsmönster som öka eller minska risken för att utveckla ett beroende . Kanske en dag skulle neurala banor som hjälper människor att motstå missbruk kunna förstärkas terapeutiskt.
Droger som en gång klassificerades som rekreations utforskas för behandling av psykiska sjukdomar. 2019, US Food and Drug Administration godkänt esketamin för behandlingsresistent depression , första gången på 30 år som en läkemedel med en ny mekanism åtgärder hade godkänts för tillståndet. På senare tid, a steg 3 klinisk prövning visade att personer med posttraumatisk stressyndrom som fick MDMA (a.k.a. Ecstasy) tillsammans med traditionell terapi förbättrades avsevärt jämfört med de som fick terapi enbart. Psilocybin - den aktiva komponenten i magiska svampar - är i kliniska prövningar för behandling av depression, alkoholmissbruk, OCD, anorexi och mer.
Nästa gräns:
En dag kan patienter med hjärnsjukdomar utvärderas och behandlas baserat på deras genetik, tillsammans med biomarkörer och hjärnaktivitetsskanningar.
Forskare undersöker hur genetik skulle kunna vägleda behandlingsval för patienter med depression , hur anslutning i hjärnregioner som amygdala skulle kunna leda till en mer personlig förståelse av störningar relaterade till rädsla och ångest, och hur blodbaserad biomarkörer kan spåra behandlingssvar vid depression och bipolär sjukdom.