Lot przez przestrzeń wewnętrzną

Jak pisałem w lutowym numerze “National Geographic”, wielu neuronaukowców sporządza teraz mapę mózgu w sposoby, które nie były możliwe jeszcze kilka lat temu. Z tych badań zaś wyłania się ciekawy, nowy sposób patrzenia na mózg. Nazwijmy to przelotem przez mózg. Przelot przez mózg stał się możliwy dopiero, kiedy naukowcy zaczęli robić mapy rzeczywistych neuronów w rzeczywistych mózgach na dużą skalę. Kiedy mieli te współrzędne w trójwymiarowej przestrzeni, mogli zaprogramować komputer, by przez nie poszybował. Wyniki są dziwnie hipnotyzujące.

Oto trzy przykłady, od małego do dużego. (Jeśli możesz, kliknij na ikonę trybu, żeby upewnić się, że oglądasz je w dużej rozdzielczości.)

Pierwsze jest wideo z projektu o nazwie Eyewire. Wolontariusze grali w grę, żeby zmapować strukturę indywidualnych neuronów. Oto garść neuronów z siatkówki myszy. (Więcej szczegółów o tym wideo można znaleźć tutaj.)

Drugie wideo jest przelotem przez cały mózg myszy, co umożliwiła nowa metoda zwana CLARITY. Najpierw dodaje się do mózgu substancje chemiczne, by wymyć lipidy i inne substancje chemiczne, które nadają mu kolor. Mózg staje się przezroczysty, ale neurony pozostają nienaruszone.

Następnie naukowcy zalewają mózg składnikami, które przyczepiają się tylko do pewnych neuronów, rozświetlając je. Badacze mogą następnie zrobić zdjęcia mózgu pod różnymi kątami i zestawić je w trójwymiarowy obraz mózgu, w którym można rozróżnić indywidualne neurony. W tym wideo, z laboratorium Karla Deisserotha ze Stanford University, zabarwiony jest bardzo często występujący rodzaj neuronów. Przelatując przez mózg możemy zacząć rozumieć powiązania na wielką skalę, które rozciągają się w całym organie.

Wreszcie dochodzimy do najnowszej metody – która nawet nie istniała, kiedy zaczynałem pracę nad tym artykułem. Adam Gazzaley z University of California at San Francisco i jego współpracownicy umożliwili przelot przez obraz myślącego, ludzkiego mózgu – kiedy on myśli. 

Oto jak zbudowali ten przelot, który nazwali Szklanym Mózgiem. Najpierw zaaplikowali wolontariuszom skan MRI o wysokiej rozdzielczości, żeby zdobyć bardzo dokładny obraz ogólnego kształtu ich mózgów. MRI nie pozwala na zobaczenie poszczególnych neuronów, ale z drobnymi szczegółami zaznacza główne struktury w mózgu.

Następnie dodali więcej anatomii przy pomocy metody zwanej obrazowaniem tensora dyfuzji. Aby użyć tej metody (znanej w skrócie jako DTI) naukowcy przeprogramowali skanery MRI do pomiarów ruchu cząsteczek wody wewnątrz neuronów. Wiele neuronów w mózgu mieści się w zewnętrznych warstwach mózgu i wysyłają one długie włókna przez cały obszar wewnętrzny, wiążąc się z zewnętrznymi warstwami w odległym punkcie. Wiele tych włókiem jest uporządkowanych razem w szlaki. Cząsteczki wody we włóknach przepychają się tam i z powrotem tymi szlakami, a więc naukowcy mogą użyć ich ruchu, by odtworzyć kształt.

Połączenie MRI i DTI dało Gazzaley’emu i jego kolegom zarówno struktury mózgu, jak łączące je szlaki, wszystko ustawione w tej samej przestrzeni trójwymiarowej.

Następnie doszedł trzeci składnik: zapis aktywności mózgu. Gazzaley użył EEG, metody nakładania elektrod na czaszkę człowieka i mierzenia aktywności elektrycznej, która dochodzi z mózgu przez czaszkę.

EEG jest bardzo szybki, mierząc zmiany w aktywności mózgu co do jednej dziesiątej sekundy a nawet poniżej. Wadą EEG jest, że jest to jak próby podsłuchiwania ludzi dwa pokoje dalej. Wiele szczegółów gubi się, kiedy sygnały podróżują coraz dalej od swojego źródła. Dla rekonstrukcji wewnętrznych konwersacji mózgu Gazzaley i jego koledzy zaprogramowali komputer, by rozwiązał równania matematyczne, które pozwolą mu na użycie zapisów z czaszki do wywnioskowania, skąd w mózgu pochodzą sygnały. Ich program mierzył także, jak były zsynchronizowane ze sobą sygnały w różnych regionach. Łącząc tę informację z ich mapą szlaków w mózgu, naukowcy mogli zrekonstruować, jak sygnały poruszały się przez mózg.

A tutaj jest wideo co im z tego wynikło. W tym eksperymencie wolontariuszka miała tylko otwierać i zamykać oczy i otwierać i zaciskać dłoń.

Choć zachwyca po prostu jako wideo, kryje się tam znacznie więcej. Nie zabrało komputerowi Gazzaley’go tygodni, by przegryźć się przez wszystkie dane z eksperymentu, wyliczyć źródła sygnałów EEG i zmapować je na mózg. Ten system potrafi tworzyć takie filmy w rzeczywistym czasie.

Wyobraź sobie przyczepienie do głowy elektrod EEG i spojrzenie na ekran pokazujący, co dzieje się w twoim mózgu w momencie, kiedy na niego patrzysz. To właśnie zapowiada ten system.

Skontaktowałem się z Gazzaleym, żeby dowiedzieć się szczegółów o tym nowym spojrzeniu na mózg. Jemu i jego zespołowi zabrało rok zbudowanie i poświadczenie zasadności tego systemu – to jest upewnienie się, że wzory na wideo mają te same cechy, co te, które znalazły w mózgu dobrze przebadane techniki obrazowania. Teraz Gazzaley ma nadzieję na rozpoczęcie używania tego systemu do zapisu danych podczas eksperymentów i przetestowania niektórych koncepcji o tym, jak mózg przetwarza informacje.

A to obrazowanie może być użyteczne poza laboratorium. Gazzaley i jego koledzy zaprojektowali niedawno  grę komputerową, która poprawia postrzeganie u osób starszych. Prawdopodobnie będzie możliwe włączenie ich nowego pokazu mózgu do gry, co pozwoli ludziom na próbę zmiany aktywności własnego mózgu przez rodzaj neuro-sprzężenia zwrotnego.

Całkiem niedawno Gazzaley wpadł na kolejny pomysł. Nałożył elektrody EEG koledze, a wyniki podłączył do Oculus Rift – gogli do wirtualnej rzeczywistości i używając Xbox joystick poleciał przez mózg kolegi, na który mógł patrzeć w trzech wymiarach, mając go dokoła siebie.

“Nigdy nie widziałem mózgu na wylot – powiedział mi Gazzaley. – Nie mogłem potem wrócić do pracy. Musiałem chwilę poleżeć w trawie”.

Flying through inner space

The Loom, 19 marca 2014

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska