211service.com
Acht manieren waarop wetenschappers de mysteries van het menselijk brein ontrafelen
Nhung Le
Er is geen groter wetenschappelijk mysterie dan de hersenen. Het is grotendeels gemaakt van water; veel van de rest is grotendeels vet. Maar deze klodder materiaal van ongeveer drie pond produceert onze gedachten, herinneringen en emoties. Het regelt hoe we omgaan met de wereld, en het bestuurt ons lichaam. Steeds meer wetenschappers beginnen de complexiteit van hoe het werkt te ontrafelen en begrijpen hoe de 86 miljard neuronen in het menselijk brein de verbindingen vormen die ideeën en gevoelens produceren, evenals het vermogen om te communiceren en te reageren. Hier is onze rondleiding door een aantal van de meest geavanceerde onderzoeken - en waarom het belangrijk is.
Hoe creëert een verzameling cellen gedachten en gedrag?
Wat het is:
Cognitieve en gedragsneurowetenschappers bestuderen hoe eiwitten, genen en de structuren van onze hersenen aanleiding geven tot gedrag en mentale processen. Hoe leren en onthouden de hersenen dingen? Hoe neemt het beslissingen? Hoe verwerkt en reageert het op de wereld?
Waarom het uitmaakt:
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van september 2021
- Zie de rest van het nummer
- Abonneren
Het begrijpen van het geheugen kan ons helpen de ziekte van Alzheimer te behandelen; inzicht in het zoeken naar beloningen kan helpen om verslaving aan te pakken; het begrijpen van emoties kan nieuwe aanwijzingen opleveren over het voorkomen van depressie.
Het snijvlak:
Sheena Josselyn, een neurowetenschapper bij het Hospital for Sick Children in Toronto, bestudeert hoe en waar de hersenen herinneringen opslaan. Ze zegt dat het identificeren van de neurale circuits - onderling verbonden groepen neuronen - die verantwoordelijk zijn voor het opslaan van specifieke herinneringen, de sleutel kan zijn voor de behandeling van geheugenstoornissen, omdat het niet optimaal is om iemand simpelweg een medicijn te geven dat de hele hersenen beïnvloedt.
Verwant verhaal
Waarom voel je je eenzaam? De neurowetenschap begint antwoorden te vinden. De jacht van een neurowetenschapper op eenzaamheid kan ons helpen de kosten van sociaal isolement beter te begrijpen.We kunnen de hersenen niet behandelen als een kom soep - als we een beetje oregano toevoegen, komt alles er beter uit, zegt Josselyn. We moeten precies begrijpen waar we ons op willen richten. Om nauwkeuriger gerichte behandelingen te creëren, wil ze de neuronen en neurale circuits die belangrijk zijn bij het vormen, huisvesten en oproepen van een herinnering beter begrijpen.
Onlangs identificeerde het laboratorium van Josselyn een nieuwe weg die belangrijk is voor het ophalen van oudere herinneringen . Dit pad leidt van de hippocampus - een hersengebied dat het leren en geheugen regelt - naar de thalamus, die fungeert als een soort sensorisch informatie-relaisstation in de hersenen. Toen de onderzoekers dit pad bij muizen uitschakelden, konden de dieren zich een ervaring van de dag ervoor herinneren, maar niet die van de vorige maand.
Kay Tye, hoogleraar neurowetenschappen aan het Salk Institute, bestudeert de neurale paden die betrokken zijn bij leren en bij emoties zoals eenzaamheid om licht te werpen op middelenmisbruik en angst. Tye's lab heeft een neurale route dat helpt bij het sturen van gedrag wanneer gelijktijdige signalen positieve en negatieve resultaten signaleren.
De volgende grens:
Zodra we de hersengebieden, paden en neurotransmitters die betrokken zijn bij geheugen, angst en angst beter begrijpen - en hoe deze kunnen worden veranderd - kunnen we preciezere strategieën ontwikkelen om ziekten te behandelen.
Het zit in je genen
Wat het is:
Het veld van de neurogenetica onderzoekt hoe genen de structuur en functie van het zenuwstelsel beïnvloeden.
FluweelWaarom het uitmaakt:
Als we de rol van genen kunnen identificeren, kunnen we mogelijk hersenaandoeningen nauwkeuriger en nauwkeuriger diagnosticeren, of zelfs ingrijpen om hun voortgang te stoppen.
Het snijvlak:
Steven McCarroll, directeur genomische neurobiologie voor het Stanley Center for Psychiatric Research van het Broad Institute, bestudeert genen die verband houden met schizofrenie. In samenwerking met een team van onderzoekers heeft hij varianten geïdentificeerd in a gen geassocieerd met de aandoening ; deze varianten genereerden meer van een eiwit dat betrokken is bij het taggen van synapsen (verbindingen tussen neuronen) voor verwijdering.
Toen McCarroll en zijn collega's de expressie van het gen in muizen verhoogden, de muizen eindigden met minder synapsen . Hun werkgeheugen was aangetast en hun sociaal gedrag veranderde. Onderzoekers denken dat deze genetische variaties verband kunnen houden met de synaps verliezen en gedragsveranderingen waargenomen bij mensen met schizofrenie.
Ying-Hui Fu, hoogleraar neurologie aan de Universiteit van Californië in San Francisco, heeft vastgesteld: drie verschillende genmutaties die de hoeveelheid slaap die mensen nodig hebben verminderen.
Een ervan beschermt zelfs tegen de geheugenproblemen die normaal gesproken gepaard gaan met slaapgebrek.
Andere onderzoekers zoeken naar genen die mensen relatief gezond houden zelfs wanneer ze andere genen dragen die hen in gevaar brengen voor de vroege ziekte van Alzheimer.
De volgende grens:
Door te identificeren hoe genen bijdragen aan ziekten, kunnen wetenschappers behandelingen ontwikkelen, misschien door medicijnen te gebruiken om de werking van een eiwit dat wordt geproduceerd door een ziekteverwekkend gen te blokkeren of om de werking van een beschermend gen na te bootsen. Gentherapieën worden ook onderzocht om de schadelijke genen het zwijgen op te leggen. Zo'n behandeling voor de neurologische ziekte amyotrofische laterale sclerose (ALS) is goedgekeurd voor proeven in de VS; een proef met gentherapie voor De ziekte van Huntington is onderweg.
Engineering van de hersenen
Wat het is:
Neuro-ingenieurs zoeken naar manieren om het zenuwstelsel, inclusief de hersenen, te verbinden met machines. Experimentele apparaten kunnen neuronale activiteit in tekst vertalen of een kunstledemaat laten bewegen; sommigen zetten informatie van kunstmatige sensoren om in zenuwstimulatie die de hersenen kunnen begrijpen.
Waarom het uitmaakt:
Technologie kan nu helpen bij het herstellen van het vermogen om te communiceren, sensaties te voelen en te bewegen bij mensen die verlamd zijn of amputaties hebben ondergaan. Hersenstimulerende implantaten bieden mogelijk ook nieuwe behandelmethoden epilepsie , chronische pijn , en blindheid .
Verwant verhaal
De chirurg die u met internet wil verbinden met een hersenimplantaat Eric Leuthardt gelooft dat we artsen in de nabije toekomst elektroden in onze hersenen zullen laten plaatsen, zodat we rechtstreeks met computers en met elkaar kunnen communiceren.Het snijvlak:
Neuro-ingenieurs van Stanford gebruiken metingen van hersenactiviteit om de functie te helpen herstellen bij mensen die verlamd zijn. Onlangs werkten de onderzoekers met een man die vanaf de nek verlamd was twee reeksen kleine elektroden geïmplanteerd in een deel van zijn hersenen dat verantwoordelijk is voor handbewegingen. Zoals de man zich voorstelde om brieven te schrijven, gebruikten de wetenschappers machine learning om zijn hersenactiviteit om te zetten in letters op een scherm. Met dit systeem kon de man 90 letters per minuut schrijven - meer dan een verdubbeling van het vorige record voor typen via hersenactiviteit.
In de toekomst kunnen deze apparaten de cognitie verbeteren, ons in staat stellen om van brein tot brein te communiceren of ultrarealistische virtual reality-ervaringen te creëren waarin al onze zintuigen zijn geïntegreerd.
Andere neuro-ingenieurs werken aan protheses die sensorische informatie terug kunnen sturen naar de gebruiker. Luke Osborn, een neuro-ingenieur aan de Johns Hopkins University, werkt aan manieren om verschillende soorten sensaties over te brengen bij mensen die amputaties hebben ondergaan door zenuwen in de ledemaat boven de amputatieplaats te stimuleren. Tot nu toe kunnen de apparaten drukgevoelens en zelfs milde pijn overbrengen. Pijnsensaties zijn een kritieke informatiebron, zegt Osborn, die ons laat weten wanneer we iets onveiligs doen.
De volgende grens:
Apparaten die hersenen en computers met elkaar verbinden, kunnen mogelijk niet alleen worden gebruikt om functies te herstellen die verloren zijn gegaan, maar ook om de capaciteiten van onze hersenen te verbeteren. In de toekomst kunnen deze apparaten de cognitie verbeteren, ons in staat stellen om van brein tot brein te communiceren of ultrarealistische virtual reality-ervaringen te creëren waarin al onze zintuigen zijn geïntegreerd.
Hoe maak je een brein?
Wat het is:
Ontwikkelingsneurowetenschap onderzoekt hoe de structuur en functie van de hersenen in de loop van de tijd veranderen naarmate een organisme volwassen wordt. Hoe vinden individuele neuronen hun weg naar de juiste plek in de hersenen?
Waarom het uitmaakt:
Inzicht in de ontwikkeling van de hersenen - en wat ervoor zorgt dat het mis gaat - kan ons helpen om aandoeningen zoals microcefalie, autisme en ADHD aan te pakken. En als we weten hoe gebeurtenissen voor de geboorte en tijdens de kindertijd de structuur en functie van de zich ontwikkelende hersenen beïnvloeden, kunnen we kinderen beter de beste kans geven op een gezonde ontwikkeling.
Het snijvlak:
Madeline Lancaster, van het Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology in het Verenigd Koninkrijk, bestudeert hersenontwikkeling met behulp van organoïden, driedimensionale celclusters afgeleid van menselijke stamcellen die zichzelf organiseren tot een miniatuur, vereenvoudigd, maar nog steeds hersenachtig orgaan. Om het menselijk brein nauwkeuriger te modelleren, creëert ze organoïden die langer leven en verschillende soorten hersenstructuren nabootsen.
Met behulp van deze benadering heeft Lancaster ontdekt dat een eiwit genaamd ZEB2 is van cruciaal belang voor het reguleren van de opmerkelijke ontwikkelingsexpansie die menselijke hersenen zo veel groter maakt dan aaphersenen. Het begrijpen van processen die de hersengrootte bepalen, zou ons kunnen helpen de oorzaken van microcefalie en andere aandoeningen waarbij het foetale brein zich niet goed ontwikkelt, beter te begrijpen.
Verwant verhaal
Kleine hersenklonten bieden nieuwe aanwijzingen voor de oorzaak van autisme Hersenorganoïden gemaakt van de stamcellen van autismepatiënten kunnen onderzoekers helpen bij het bepalen van de factoren die tot de stoornis leiden.Hersenontwikkeling die optreedt na de geboorte is ook belangrijk. Rebecca Saxe van het MIT werkt aan het begrijpen van de hersenstructuren en activiteiten die verantwoordelijk zijn voor sociale cognitie, waardoor we rekening kunnen houden met de mentale toestanden van andere mensen.
Saxe heeft een bijzondere ontdekt hersengebied dat is de sleutel; door te bestuderen hoe de activiteit in deze regio en andere verandert in de loop van de kindertijd , kan ze misschien begrijpen hoe sociale vaardigheden zich ontwikkelen. Ze heeft ook ontdekt dat deze hersenactiviteitspatronen zijn veranderd bij mensen met: autisme spectrum stoornissen .
De volgende grens:
Hoewel onderzoekers sommige van de processen die ontwikkeling sturen beginnen te begrijpen en dingen hebben geïdentificeerd die het kunnen laten ontsporen, zijn we nog lang niet in staat om in te grijpen wanneer dergelijke problemen zich voordoen. Maar naarmate we meer inzicht krijgen, kunnen we op een dag therapieën of andere manieren testen om deze ontwikkelingsproblemen aan te pakken.
Computers die de hersenen imiteren
Wat het is:
Computational neurowetenschappers gebruiken wiskundige modellen om beter te begrijpen hoe netwerken van hersencellen ons helpen interpreteren wat we zien en horen, nieuwe informatie integreren, herinneringen creëren en opslaan, en beslissingen nemen.
Waarom het belangrijk is:
Begrijpen hoe de activiteit van neuronen cognitie en gedrag regelt, zou kunnen leiden tot manieren om het geheugen te verbeteren of ziekteprocessen te begrijpen.
Het snijvlak:
Terry Sejnowski, een computationele neurobioloog aan het Salk Institute, heeft een computermodel van de prefrontale cortex en zijn prestaties geanalyseerd op een taak waarbij een persoon (of machine) kaarten moet sorteren volgens een regel die altijd verandert. Hoewel mensen goed zijn in het aanpassen, hebben machines het over het algemeen moeilijk. Maar de computer van Sejnowski, die informatiestroompatronen imiteert die in de hersenen worden waargenomen, presteerde goed bij deze taak. Dit onderzoek kan machines helpen meer als mensen te denken en zich sneller aan te passen aan nieuwe omstandigheden.
Aude Oliva, de MIT-directeur van het MIT-IBM Watson AI Lab, gebruikt computerhulpmiddelen om te modelleren en te voorspellen hoe hersenen visuele informatie waarnemen en onthouden. Uit haar onderzoek blijkt dat verschillende afbeeldingen resulteren in bepaalde activiteitspatronen zowel in de apencortex als in neurale netwerkmodellen, en dat deze patronen voorspellen hoe gedenkwaardig een bepaald beeld zal zijn.
De volgende grens:
Onderzoek zoals dat van Sejnowski kan slimmere machines inspireren, maar het kan ons ook helpen om aandoeningen te begrijpen waarbij de functie van de prefrontale cortex is veranderd, waaronder schizofrenie, dementie en de effecten van hoofdtrauma.
Waarom vallen dingen uit elkaar?
Wat het is:
Onderzoekers proberen de genetische en omgevingsrisicofactoren voor neurodegeneratieve ziekten te bepalen, evenals de onderliggende mechanismen van de ziekten.
FluweelWaarom het belangrijk is:
Verbetering van de preventie, vroege opsporing en behandeling van ziekten zoals de ziekte van Alzheimer, Parkinson, Huntington, chronische traumatische encefalopathie en ALS zou miljoenen mensen over de hele wereld ten goede komen.
Het snijvlak:
Yakeel Quiroz, in het Massachusetts General Hospital, bestudeert veranderingen in de hersenstructuur en -functie die optreden vóór het begin van de symptomen van Alzheimer. Ze is op zoek naar biomarkers die kunnen worden gebruikt voor vroege detectie van de ziekte en probeert potentiële doelwitten voor therapieën te lokaliseren. Een potentiële biomarker van Alzheimer met vroege aanvang dat ze heeft gevonden - een eiwit dat NfL wordt genoemd - meer dan twintig jaar voordat de symptomen optreden, in het bloed wordt verhoogd. Quiroz heeft ook een vrouw geïdentificeerd met een beschermende genetische mutatie waardoor ze geen cognitieve stoornissen en hersendegeneratie ontwikkelde, hoewel haar hersenen hoge niveaus van amyloïde vertoonden, een eiwit dat betrokken is bij de ontwikkeling van Alzheimer. Het bestuderen van de effecten van deze gunstige mutatie zou kunnen leiden tot nieuwe therapieën.
Onderzoekers aan de Initiatief voor vroege detectie van neurodegeneratieve ziekten in het Verenigd Koninkrijk analyseren of digitale gegevens verzameld door smartphones of wearables vroege waarschuwingen voor ziekte kunnen geven voordat de symptomen zich ontwikkelen. Een van de initiatieven projecten — een samenwerking met Boston University — zal gegevens verzamelen met behulp van apps, het volgen van activiteiten en het volgen van slaap bij mensen met en zonder dementie om mogelijke digitale handtekeningen van ziekte te identificeren.
De volgende grens:
Naarmate we meer leren over de onderliggende oorzaken van neurodegeneratieve ziekten, proberen onderzoekers deze kennis te vertalen in effectieve behandelingen. Geavanceerde klinische onderzoeken gericht op nieuw begrepen ziektemechanismen zijn momenteel aan de gang voor veel neurodegeneratieve aandoeningen, waaronder: Alzheimer , Parkinson , en ALS .
Het is allemaal verbonden
Wat het is:
Connectomics-onderzoekers brengen neuronale verbindingen in kaart en analyseren ze, waardoor een bedradingsschema voor de hersenen ontstaat.
Waarom het belangrijk is:
Het begrijpen van deze verbindingen zal licht werpen op hoe de hersenen functioneren; veel projecten onderzoeken hoe verbindingen op macroschaal worden gewijzigd tijdens ontwikkeling , veroudering , of ziekte .
Het snijvlak:
Het in kaart brengen van deze verbindingen is niet eenvoudig - er kunnen er zoveel zijn als 100 biljoen verbindingen in het menselijk brein , en ze zijn allemaal klein. Onderzoekers moeten de beste manieren vinden om specifieke neuronen te labelen en de verbindingen te volgen die ze maken met andere neuronen in afgelegen delen van de hersenen, de technologie verfijnen om deze afbeeldingen te verzamelen en erachter komen hoe de bergen gegevens die dit proces produceert, kunnen worden geanalyseerd.
Een samenwerking met Google-computerwetenschapper Viren Jain en Harvard-neurowetenschapper Jeff Lichtman voltooide onlangs de meest gedetailleerde kaart van een deel van het menselijk brein ooit geproduceerd. Door één kubieke millimeter hersenen op nanoschaalniveau in beeld te brengen, brachten ze 50.000 cellen en meer dan 130 miljoen synapsen in kaart, wat resulteerde in 1,4 petabyte aan gegevens. Eerder had Lichtman meegewerkt aan de ontwikkeling Hersenboog , een techniek die het mogelijk maakt om individuele neuronen in levende dieren in kleur te labelen, waardoor wetenschappers neuronale verbindingen kunnen opsporen.
Verwant verhaal
Dit is een kaart van een half miljard verbindingen in een klein muizenbrein Onze hersenen verschillen niet zo veel van die van muizen, en een enorme nieuwe dataset geeft ons een kijkje in beide.
Sebastian Seung, een computationele neurowetenschapper in Princeton, pionierde met een techniek die crowdsourcing en machine learning gebruikt om onbewerkte afbeeldingen om te zetten in bruikbare driedimensionale neuronale kaarten, met geïdentificeerde synapsen en geclassificeerde celtypen. In het eerste project, genaamd Oogdraad , hielpen burgerwetenschappers neuronen in het netvlies in kaart te brengen. Het huidige project, FlyWire , is een ambitieuze poging om neuronale verbindingen in de hele hersenen van een fruitvlieg in kaart te brengen.
Het Allen Institute in Seattle, een belangrijke speler in onderzoek naar hersenconnectiviteit, stelt zijn hersenkaarten beschikbaar voor het publiek. EEN muis hersenconnectiviteit atlas dat het is gecompileerd omvat celtype-specifieke kaarten van verbindingen tussen de thalamus (een sensorisch en motorisch relaisstation) en de cortex.
De volgende grens:
Het in kaart brengen van de individuele neuronale verbindingen in het menselijk brein is geen sinecure. Er zijn ook verschillen tussen en binnen individuen - verbindingen zullen waarschijnlijk veranderen naarmate onze hersenen zich ontwikkelen, leren en ouder worden. Het creëren van individuele hersenkaarten op microschaal voor iedereen zou ons waarschijnlijk een ongekend niveau van inzicht verschaffen, maar voor nu is dat een verre droom.
Mentale gezondheid
Wat het is:
Waarom en hoe psychiatrische ziekten en hersenaandoeningen ontstaan, is nog grotendeels een mysterie. Neurowetenschappers gebruiken neuroimaging, genetica, biochemie, machine learning, gedragsstudies en meer om de moleculaire en omgevingsoorzaken te begrijpen.
FluweelWaarom het belangrijk is:
Psychische aandoeningen zijn wereldwijd de belangrijkste oorzaak van invaliditeit. Ongeveer 264 miljoen mensen hebben een depressie, 45 miljoen hebben een bipolaire stoornis en 20 miljoen hebben schizofrenie.
Het snijvlak:
Satrajit Ghosh, een neurowetenschapper aan het MIT, gebruikt spraakpatronen en neuroimaging om de beoordelingen van de geestelijke gezondheid bij mensen te verbeteren. Op korte termijn hoopt Ghosh dat dit kan worden gebruikt om de diagnose te verbeteren, en er zijn al aanwijzingen dat het kan helpen voorspellen welke patiënten op welke therapieën zullen reageren. Maar in de toekomst, zegt Ghosh, willen we in staat zijn om iets te meten, een toekomstige toestand te voorspellen en … gedrag on-the-fly aan te passen, zodat je die toestand nooit zult bereiken.
Verwant verhaal
Hoe je je gebroken pandemische brein kunt herstellen Het leven onder covid heeft geknoeid met onze hersenen. Gelukkig zijn ze ontworpen om terug te stuiteren.
Therapieën met hersenstimulatie bieden nieuwe behandelingsopties voor obsessief-compulsieve stoornis (OCS). Diepe hersenstimulatie - waarbij elektroden in de hersenen worden geïmplanteerd - biedt aanzienlijke verlichting voor sommige mensen bij wie OCS niet reageert op andere behandelingen. Minder invasieve vormen van neurale stimulatie hebben ook veelbelovende vroege resultaten laten zien. Nog maar vijf dagen niet-invasief hersenstimulatie verminderd obsessief-compulsief gedrag gedurende drie maanden bij mensen die enkele OCS-symptomen vertoonden.
Onderzoekers boeken vooruitgang in het begrijpen en behandelen van stoornissen in het gebruik van middelen, door patronen in de hersenconnectiviteit te identificeren die: het risico op het ontwikkelen van een verslaving verhogen of verlagen . Misschien kunnen op een dag neurale paden die mensen helpen weerstand te bieden aan verslaving therapeutisch worden versterkt.
Geneesmiddelen die ooit als recreatief waren geclassificeerd, worden onderzocht voor de behandeling van psychische aandoeningen. In 2019 heeft de Amerikaanse Food and Drug Administration goedgekeurde esketamine voor therapieresistente depressie , de eerste keer in 30 jaar dat een medicijn met een nieuw mechanisme van actie was goedgekeurd voor de aandoening. Meer recent, een fase 3 klinische proef toonde aan dat mensen met een posttraumatische stressstoornis die MDMA (ook bekend als ecstasy) samen met traditionele therapie kregen, aanzienlijk verbeterden in vergelijking met degenen die alleen therapie kregen. Psilocybine, het actieve bestanddeel in paddo's, is in klinische onderzoeken voor de behandeling van depressie, alcoholgebruiksstoornis, OCS, anorexia en meer.
De volgende grens:
Op een dag kunnen patiënten met hersenaandoeningen worden beoordeeld en behandeld op basis van hun genetica, samen met biomarkers en scans van hersenactiviteit.
Onderzoekers onderzoeken hoe genetica zou kunnen leiden tot behandelingskeuzes voor patiënten met depressie , hoe connectiviteit in hersengebieden zoals de amygdala zou kunnen leiden tot een meer persoonlijk begrip van stoornissen die verband houden met angst en angst, en hoe op bloed gebaseerd biomarkers zouden de behandelingsrespons bij depressie en bipolaire stoornis kunnen volgen.