Redaktörens anmärkning: I denna veckoserie utforskar LiveScience hur teknik driver vetenskaplig utforskning och upptäckt.
Mänsklig erfarenhet definieras av hjärnan, men mycket om denna 3-lb. orgel förblir ett mysterium. Trots det, från hjärnavbildning till gränssnitt mellan hjärnan och datorer, har forskare gjort imponerande framsteg när det gäller att utveckla teknik för att kika in i sinnet.
Avbildning av hjärnan
För närvarande kan forskare som studerar hjärnan titta på dess struktur eller dess funktion. Vid strukturell avbildning tar maskiner ögonblicksbilder av hjärnans storskaliga anatomi som kan användas för att diagnostisera tumörer eller blodproppar, till exempel. Funktionell avbildning ger en dynamisk bild av hjärnan som visar vilka områden som är aktiva under tänkande och perception.
Strukturella bildtekniker inkluderar CAT-skanningar, eller datoriserad axiell tomografi, som tar bilder av skivor genom hjärnan genom att stråla röntgenstrålar i huvudet från många olika vinklar. CAT- eller CT-skannor används ofta för att diagnostisera en hjärnskada, till exempel. En annan metod, positron emission tomography (PET), genererar både 2D- och 3D-bilder av hjärnan: En radioaktivt märkt kemikalie som injiceras i blodet avger gammastrålar som en skanner upptäcker. Och magnetisk resonansavbildning (MRI) ger en bild av hjärnans övergripande struktur genom att mäta den magnetiska snurrningen av atomer i ett starkt magnetfält.
"Det finns ingen tvekan om att MR är förmodligen det bästa sättet att se hjärnan," sade Dr. Mauricio Castillo, radiolog vid University of North Carolina i Chapel Hill och chefredaktör för American Journal of Neuroradiology.
När det gäller funktionell avbildning är den nuvarande guldstandarden funktionell MRI (fMRI). Denna teknik mäter förändringar i blodflödet till olika hjärnområden som en proxy för vilka områden är aktiva när någon utför en uppgift som att läsa ett ord eller titta på en bild.
"Tyngdpunkten nuförtiden är att försöka slå samman hur hjärnan är kopplad med aktiveringen av cortex," sade Castillo.
Flera metoder kan kombineras för att slå samman hjärnans struktur och funktion. Till exempel kan MR- och PET-skanning utföras samtidigt, och bilderna kan kombineras för att visa fysiologisk aktivitet överlagrad på en anatomisk karta över hjärnan. Slutresultatet kan användas för att berätta för en kirurg platsen för en hjärnskada så att den kan tas bort, sade Castillo.
Nyligen har en ny teknik utvecklats för att bokstavligen se inuti hjärnan. Kallas CLARITY (ursprungligen för Clear Lipid-utbytad akrylamid-hybridiserad styv bildavbildning / immunostaining / in situ hybridisering-kompatibel vävnad-hYdrogel), och kan göra en (icke-levande) hjärna transparent för ljus medan den håller sin struktur intakt. Tekniken har redan använts för att visualisera neurologiska ledningar av en vuxen mushjärna.
Avkodning av tankar
Vissa forskare vill se inre i hjärnan mer bildligt. Ange gränssnitt mellan hjärnan och datorer (BCI: er eller BMI: er, gränssnitt mellan hjärnmaskiner), enheter som ansluter hjärnsignaler till en extern enhet, till exempel en dator eller protesben. BCI: er sträcker sig från icke-invasiva system som består av elektroder placerade i hårbotten till mer invasiva som kräver att elektroderna implanteras i själva hjärnan.
Icke-invasiva BCI inkluderar hårbottenbaserad elektroencefalografi (EEG), som registrerar aktiviteten för många neuroner över stora hjärnområden. Fördelen med EEG-baserade system är att de inte kräver operation. Å andra sidan kan dessa system bara upptäcka generaliserad hjärnaktivitet, så användaren måste fokusera sina tankar på bara en enda uppgift.
Mer invasiva system inkluderar elektrokortikografi (ECoG), där elektroder implanteras på hjärnans yta för att spela in EEG-signaler från cortex. Sedan Wilder Penfield och Herbert Jasper banbrytade tekniken i början av 1950-talet har den bland annat använts för att identifiera hjärnregioner där epileptiska anfall börjar.
Vissa BCI: er använder elektroder implanterade inuti hjärnans cortex. Även om dessa system är mer invasiva, har de mycket bättre upplösning och kan hämta de signaler som skickas av enskilda neuroner. BCI: er kan till och med tillåta människor med paraplegi (förlamning av alla fyra lemmarna) att kontrollera en robotarm genom tanken ensam, eller låta användare stava ord på en datorskärm med bara sina tankar.
Trots många framsteg förblir mycket okänt om hjärnan. För att överbrygga detta gap inleder amerikanska forskare ett nytt projekt för att kartlägga den mänskliga hjärnan, som tillkännagavs av president Barack Obama i april, kallad BRAIN-initiativet (Brain Research via Advancing Innovative Neurotechnologies).
Men neurovetenskapsmän har gjort sitt arbete för dem. "Hjärnan är förmodligen den mest komplexa maskinen i universum," sade Castillo. "Vi är fortfarande långt ifrån att förstå det."
