Redaktørens note: I denne ugentlige serie udforsker LiveScience, hvordan teknologi driver videnskabelig efterforskning og opdagelse.
Menneskelig oplevelse defineres af hjernen, men alligevel meget om denne 3-lb. orgel forbliver et mysterium. Alligevel, fra hjerneafbildning til hjernecomputergrænseflader, har forskere gjort imponerende skridt med at udvikle teknologier til at kigge inde i sindet.
Afbildning af hjernen
I øjeblikket kan forskere, der studerer hjernen, se på dens struktur eller dets funktion. Ved strukturel billedbehandling tager maskiner øjebliksbilleder af hjernens store anatomi, der f.eks. Kan bruges til at diagnosticere tumorer eller blodpropper. Funktionel billeddannelse giver et dynamisk syn på hjernen, der viser, hvilke områder der er aktive under tænkning og opfattelse.
Strukturelle billeddannelsesteknikker inkluderer CAT-scanninger eller computeriseret aksial tomografi, der tager billeder af skiver gennem hjernen ved at stråle røntgenstråler ved hovedet fra mange forskellige vinkler. CAT- eller CT-scanninger bruges ofte til at diagnosticere en hjerneskade, for eksempel. En anden metode, positronemissionstomografi (PET), genererer både 2D- og 3D-billeder af hjernen: Et radioaktivt mærket kemikalie, der indsprøjtes i blodet, udsender gammastråler, som en scanner registrerer. Og magnetisk resonansafbildning (MRI) giver et overblik over hjernens overordnede struktur ved at måle den magnetiske spin af atomer inden i et stærkt magnetfelt.
"Der er ingen tvivl om, at MR muligvis er den bedste måde at se hjernen på," sagde Dr. Mauricio Castillo, radiolog ved University of North Carolina i Chapel Hill og chefredaktør for American Journal of Neuroradiology.
Inden for funktionel billeddannelse er den nuværende guldstandard funktionel MRI (fMRI). Denne teknik måler ændringer i blodgennemstrømningen til forskellige hjerneområder som en proxy, til hvilke områder er aktive, når nogen udfører en opgave som at læse et ord eller se et billede.
"Vægten i dag er at forsøge at slå sammen, hvordan hjernen er forbundet med aktiveringen af cortex," sagde Castillo.
Flere metoder kan kombineres for at flette hjernestruktur og -funktion. F.eks. Kan MR- og PET-scanning udføres samtidigt, og billederne kan kombineres for at vise fysiologisk aktivitet, der er overlejret på et anatomisk kort af hjernen. Slutresultatet kan bruges til at fortælle en kirurg placeringen af en hjernelæsion, så det kan fjernes, sagde Castillo.
For nylig er der udviklet en ny teknik til bogstaveligt talt at se inde i hjernen. Kaldes CLARITY (oprindeligt til klar lipidudvekslet acrylamid-hybridiseret stiv billeddannelse / immunforsvarende / in situ hybridisering-kompatibel væv-hYdrogel), og kan gøre en (ikke-levende) hjerne gennemsigtig for lys, mens den holder sin struktur intakt. Teknikken er allerede blevet brugt til at visualisere den neurologiske ledning af en voksen musehjerne.
Afkodning af tanker
Nogle forskere ønsker at se inde i hjernen mere figurativt. Indtast hjernecomputergrænseflader (BCI'er eller BMI'er, hjernemaskinegrænseflader), enheder, der forbinder hjernesignaler til en ekstern enhed, såsom en computer eller proteselem. BCI'er spænder fra ikke-invasive systemer, der består af elektroder placeret i hovedbunden, til mere invasive dem, der kræver, at elektroderne implanteres i selve hjernen.
Ikke-invasive BCI'er inkluderer hovedbund-baseret elektroencefalografi (EEG), der registrerer aktiviteten af mange neuroner over store hjerneområder. Fordelen ved EEG-baserede systemer er, at de ikke kræver operation. På den anden side kan disse systemer kun registrere generel hjerneaktivitet, så brugeren skal fokusere sine tanker på kun en enkelt opgave.
Flere invasive systemer inkluderer elektrokortikografi (ECoG), hvor elektroder implanteres på overfladen af hjernen for at registrere EEG-signaler fra cortex. Siden Wilder Penfield og Herbert Jasper var banebrydende for teknikken i begyndelsen af 1950'erne, er den blandt andet blevet brugt til at identificere hjerneområder, hvor epileptiske anfald begynder.
Nogle BCI'er bruger elektroder implanteret inde i hjernens cortex. Selvom disse systemer er mere invasive, har de meget bedre opløsning og kan hente signalerne sendt af individuelle neuroner. BCI'er kan nu endda tillade mennesker med paraplegi (lammelse af alle fire lemmer) at kontrollere en robotarm gennem tanke alene, eller tillade brugere at stave ord på en computerskærm ved hjælp af deres sind.
På trods af mange fremskridt forbliver meget ukendt om hjernen. For at overvinde dette hul indleder amerikanske forskere et nyt projekt til kortlægning af den menneskelige hjerne, der blev annonceret af præsident Barack Obama i april, kaldet BRAIN-initiativet (Brain Research via Advancing Innovative Neurotechnologies).
Men neurovidenskabsfolk har deres arbejde udskåret for dem. "Hjernen er sandsynligvis den mest komplekse maskine i universet," sagde Castillo. "Vi er stadig langt fra at forstå det."
