Hoe Brain Mapping Werkt

{h1}

Brain mapping probeert een compleet beeld te geven van de structuur van de hersenen. Ontdek hoe brain mapping werkt en waarom het zo'n wetenschappelijke doorbraak is.

Het menselijk brein is een knoop van 100 miljard neuronen en steuncellen. We kunnen er een leven aan herinneringen opslaan. We kunnen het gebruiken om sonnetten te schrijven en vliegtuigen te bouwen. Natuurlijk, het brein van een olifant is groter, weegt meer en heeft meer neuronen, maar olifanten missen ook onze mogelijkheden. Geïntrigeerd? Wetenschappers zijn dat zeker. Dat is een reden waarom ze het menselijk brein in kaart brengen, een substantieel project dat tientallen jaren zou kunnen duren om te voltooien.

Hersenkartering probeert de structuur van de hersenen te relateren aan zijn functie, of te vinden welke delen ons bepaalde mogelijkheden geven. Bijvoorbeeld, welk aspect van ons brein stelt ons in staat om creatief of logisch te zijn? Dit heet lokalisatie van functie.

Bij het in kaart brengen van hersenfuncties gebruiken wetenschappers beeldvorming om het brein aan verschillende taken te laten werken. Charles Wilson, een neurobioloog aan de Universiteit van Texas in San Antonio, legt de lokalisatie van de functie op deze manier uit:

Er is een deel van het brein dat voornamelijk te maken heeft met visie en andere delen die voornamelijk met geluid te maken hebben. Kunnen we nu in het visiegedeelte kijken en zeggen: is er een speciaal deel van het brein dat rode voorwerpen detecteert en een ander dat groene voorwerpen detecteert? Of detecteert hetzelfde gebied objecten in beide kleuren?

Brain mapping kijkt ook van buiten naar binnen. Het onderzoekt hoe onze omgeving de structuur van onze hersenen verandert door bijvoorbeeld te bestuderen hoe de hersenen fysiek veranderen door de leer- en verouderingsprocessen. Brain mapping onderzoekt ook wat fysiek mis gaat in de hersenen tijdens psychische aandoeningen en andere hersenziekten.

Tot slot wil brain mapping ons een grondig beeld geven van de structuur van ons brein. Google Earth toont ons satellietbeelden van onze planeet en zoomt in op continenten, landen, staten, steden, snelwegen, straten en gebouwen. Een complete structurele kaart van onze hersenen kan vergelijkbaar zijn. Het zou ons ons hele brein kunnen laten zien; alle regio's, functionele lobben, gespecialiseerde centra, dikke neuron "bundels" die hersendelen verbinden, neuroncircuits, enkele neuronen, kruispunten tussen neuronen en uiteindelijk neurononderdelen. Wetenschappers zijn nog bezig met het ontwikkelen van de onderdelen die deze massieve kaart kunnen vormen.

Brain mapping is een verzameling van veel verschillende tools. Onderzoekers moeten beelden van de hersenen verzamelen, die beelden in gegevens veranderen en die gegevens vervolgens gebruiken om te analyseren wat er in de hersenen gebeurt tijdens de ontwikkeling.

Lees verder om te leren hoe onderzoekers de hersenen in kaart brengen.

Brain Mapping-technologie en -methoden

We hebben hier een lange weg voor afgelegd.

We hebben hier een lange weg voor afgelegd.

Wetenschappers gebruiken veel methoden om de structuur en functie van de hersenen te bestuderen. Ze maken foto's van gezonde hersenen en vergelijken ze met zieke hersenen. Daarnaast onderzoeken ze hersenen van mensen, primaten en kleine zoogdieren en proberen ze te begrijpen hoe de kleinere zenuwstelsels van ongewervelde dieren werken. Op microscopisch niveau onderzoeken ze ook neuronen.

Hier zijn enkele hulpmiddelen die worden gebruikt bij het in kaart brengen van de hersenen. Deze technieken nemen beelden van de hersenen:

  • Computer axiale tomografie (CAT) -scan Röntgenfoto's van de hersenen vanuit verschillende hoeken en vertonen structurele afwijkingen.
  • Structureel magnetische resonantie beeldvorming maakt gebruik van water in de hersenen om beelden te maken met een betere resolutie dan een CAT-scan.
  • Diffusie tensor-MRI (DTI) afbeeldingen "traktaten" van neuronen die hersengebieden verbinden door waterbeweging in de hersenen te volgen.

Deze technieken onderzoeken hersenactiviteit:

  • Electroencephalography (EEG) geeft elektrisch actieve locaties in de hersenen aan met behulp van detectoren geïmplanteerd in de hersenen of gedragen op een pet.
  • Positronemissietomografie (PET) maakt foto's van radioactieve markers in de hersenen.
  • Functionele MRI (fMRI) toont afbeeldingen van hersenactiviteit terwijl onderwerpen werken aan verschillende taken.
  • Farmacologische functionele MRI (phMRI) toont hersenactiviteit als drugs worden toegediend.
  • Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) non-invasief stimuleert delen van de hersenen om bepaalde gedragingen te activeren.

-Nieuwe methoden stellen onderzoekers in staat om alle verbindingen tussen neuronen in een intacte hersenen te zien. Deze tak van studie wordt genoemd connectomics. Het "bedradingsschema" van een brein wordt a genoemd connectoom [bron: Lichtman]. "Tot voor kort hadden we geen hoop op het verkrijgen van deze bedradingsschema's", zegt Jeff Lichtman, een bioloog van Harvard, die de groep leidde die een aantal van de nieuwe technieken ontwikkelde. "We konden individuele cellen zien, maar nooit allemaal tegelijk."

Hoe Brain Mapping werkt: brain

Brainbow labelde de neuronen in dit transgene muizenbrein met ongeveer 90 verschillende kleurencombinaties.

Een dergelijke techniek, bekend als Brainbow, labelt elk neuron in de hersenen van een levend dier een andere kleur. Door beelden van het brein van het dier te genereren, kunnen wetenschappers zien waar en hoe neuronen zich met elkaar verbinden. Naarmate het dier ouder wordt, kunnen ze ook kijken hoe de neuronen verbindingen veranderen.

Een andere techniek gebruikt de ATLUM, of automatische tape-collecting draaibank ultramicrotoom. Deze machine leest het bedradingsschema van een brein. "We doen iets dat lijkt op het vergelijken van een appel", licht Lichtman toe. "We scheren een spiraalvormige snede in wezen af ​​terwijl we de hersenen op een draaibank draaien en dit lint op een tape leggen. Uiteindelijk krijgen we een enorm lange tape, die in wezen de hele hersenen is. Met behulp van een elektronenmicroscoop zullen we beeld dat de structuur van de bedrading te zien. "

Tot nu toe worden Brainbow en het ATLUM alleen gebruikt om dieren te bestuderen met relatief kleine hersenen, zoals muizen.

Dus, wat is het punt? Wat kan mapping in het licht brengen? Lees wat we kunnen leren van het in kaart brengen van het menselijk brein op de volgende pagina.

Kan een phMRI pijn bestuderen?

In een onderzoek in het Britse Oxford Centre for Functional Magnetic Resonance Imaging of the Brain registreerden onderzoekers beelden van de hersenen van patiënten terwijl hun huid werd verbrand en naarmate de patiënten toenemende doses pijnstiller ontvingen. Pijncentra in de hersenen van patiënten werden minder actief naarmate de doses van het geneesmiddel toenamen. Deze eenvoudige meting van het effect van een medicijn in de hersenen kan uiteindelijk worden gebruikt om psychiatrische medicijnen te testen [bron: Matthews].

Gebruik van Brain Mapping

Waarom zouden wetenschappers de zware taak van hersenkartering op zich nemen? Het antwoord is simpel, zegt Lichtman: om onze hersenen intiemer te begrijpen. We hebben nog nooit een diagram gezien van hoe alle neuronen in de hersenen verbinden. Zoals Jeff Lichtman het stelt: "Veel van ons denken over het brein is gebaseerd op onvolledige kennis van wat er feitelijk is, dus we willen graag zien wat er werkelijk is."

Het bedradingsschema van de hersenen kan ons helpen beter te begrijpen hoe we leren en ons aanpassen, zegt Lichtman. "We beginnen minder goed aangepast te zijn aan onze omgeving dan welk ander dier dan ook. Tegen de tijd dat we volwassen zijn, kunnen we instrumenten gebruiken die ons genetisch erfgoed onmogelijk ons ​​zenuwstelsel kon leren gebruiken, zoals iPods. dat kan dieren, tijdens onze ontwikkeling moeten we onszelf verbinden om deze machines [te kunnen] gebruiken. "

Hersenkartering is ook van praktisch nut voor artsen. Neurochirurgen gebruiken brain mapping om veiligere operaties te plannen. Eén behandeling voor epilepsie verwijdert bijvoorbeeld het aangetaste deel van de hersenen. Met behulp van functionele MRI en EEG kunnen chirurgen het inbeslagcentrum in het brein van een patiënt lokaliseren - evenals gebieden die actief zijn tijdens spreken en bewegen - tot op de millimeter. Deze beelden vertellen artsen wat ze moeten verlaten en wat ze moeten verwijderen.

Beeldvorming van de hersenen wordt niet alleen gebruikt in de behandeling. Het wordt gebruikt voor de diagnose van neurodegeneratieve aandoeningen zoals Parkinson en Alzheimer [bron: Wilson]. Met behulp van taggingtechnieken zoals PET, zoeken artsen naar druppels in bepaalde hersenchemicaliën of gebruiken ze MRI om krimp te onderzoeken in gebieden waar weefselverlies optreedt. In de loop van de tijd kunnen artsen in kaart brengen hoe de hersenen eruit zien als ziekten voortschrijden of als behandelingen werken [bron: Institute for Neurodegenerative Disorders].

Ontwikkelingsstoornissen zoals autisme kunnen een structurele basis in de hersenen hebben. Lichtman wijst erop dat autisme verondersteld wordt een reeks verkeerde verbindingen tussen neuronen met zich mee te brengen. Door Brainbow toe te passen op een muis met autisme, kunnen onderzoekers het bedradingsschema zien evolueren om uit te zoeken hoe, wanneer en wanneer de bedrading verkeerd gaat.

Wetenschappers hebben ook geprobeerd om de effecten van verschillende psychische aandoeningen in de hersenen te illustreren, met enig succes. Hersenen imaging op deze patiënten onthulde structurele afwijkingen. Structurele MRI heeft bijvoorbeeld aangetoond dat schizofrene patiënten materie verliezen in de tijdelijk en prefrontale cortex na verloop van tijd [Bron: Rapoport]. Deze bevindingen moeten nog leiden tot behandelingen.

Paniekstoornis, bipolaire stoornis, depressie, angst, eetstoornissen en meer worden onderzocht met behulp van verschillende hersenbeeldvormingstechnieken, maar hoe interpreteren we de bevindingen van wetenschappers? Wat nog belangrijker is, waar kunnen we ze zien? Ontdek op de volgende pagina.

Sarcasm in kaart gebracht. Bewustzijn nog steeds ongrijpbaar.

Artsen en wetenschappers hebben meer geleerd van hersenkartering dan dit artikel kan bevatten. Hier zijn twee hoogtepunten:

  • Sarcasme: We detecteren sarcasme met behulp van een hersengebied genaamd de juiste parahippocampal gyrus. Onderzoekers ontdekten dit met behulp van functionele MRI op patiënten met verslechtering in die regio en hebben alle gevoel voor sarcasme verloren [bron: Hurley].
  • Bewustzijn: Volgens Rodolfo Llinas van de New York University kunnen we de hersenen verdelen in een synchronisatiecentrum diep in de hersenen en neuronlussen die ons meer gedachten geven. We voelen ons bewust wanneer het centrum de lussen in harmonie houdt. Maar als een van beide onderdelen beschadigd is, kunnen we een deel of alle bewustzijn verliezen, zegt Nicholas Schiff van het Weill Medical College van de Cornell University. Dit kan verklaren waarom patiënten zonder uiterlijke tekenen van bewustzijn jarenlang volledig normale hersenactiviteit kunnen vertonen als reactie op een bekende stem. Ze hebben lussen die geïsoleerd werken, zoals de neurale netwerken die de taal verwerken [bron: Zimmer].

The Brain Atlas: How We Use Brain Maps

Mede-oprichter van Microsoft Paul G. Allen prijst de voltooiing van de Allen Brain Atlas op Capitol Hill in september 2006. Het project bestudeert de expressie van genen in muizenhersenen.

Mede-oprichter van Microsoft Paul G. Allen prijst de voltooiing van de Allen Brain Atlas op Capitol Hill in september 2006. Het project bestudeert de expressie van genen in muizenhersenen.

Neuroinformatics plaatst alle gegevens die we over de hersenen hebben in bruikbare vorm op internet. De gegevens omvatten afbeeldingen, modellen van neuronengedrag en kaarten van de genen die zijn "ingeschakeld" in verschillende hersengebieden. Door de gegevens deelbaar en doorzoekbaar te maken, kunnen hersenonderzoekers elkaars studies opvolgen en meer ontdekken.

Technici schrijven software om onderzoekers in de hersenen te helpen bij het delen en vergelijken van gegevens. Software analyseert nu bijvoorbeeld of MRI's van Alzheimerpatiënten met verschillende hersenafmetingen en -vormen vergelijkbare hersenfuncties hebben. Zijn mannen met een bepaalde hersenarchitectuur vatbaar voor een bipolaire stoornis? Deze vraag, en vele andere, kunnen op een dag worden beantwoord door computerprogramma's die beelden van eerdere patiënten opnieuw analyseren in plaats van nieuwe te bestuderen.

Hier zijn voorbeelden van hersenatlassen die onderzoekers kunnen ontginnen voor antwoorden:

  • Allen Mouse Brain Atlas: Het muizenbrein brengt 21.000 genen tot expressie. Onderzoekers sneden de hersenen open en kleurden waar elk gen tot expressie wordt gebracht.Bezoekers kunnen foto's of 3D-modellen van de hersenen bekijken voor hun gen van belang [bron: Allen Institute for Brain Science].
  • Allen Human Cortex Atlas: Onze hersenschors stelt ons in staat na te denken, redeneren en onthouden. Onderzoekers hebben dit ook versnipperd. Ze hebben ook gekleurd waar 1.000 genen - en ook tellen - worden uitgedrukt. Je kunt zelfs op de foto's surfen [Bron: Allen Institute for Brain Science].
  • Hele Hersenatlas: Slaat beelden op van het menselijk brein naarmate het ouder wordt en bestrijdt ziekten [bron: Becker].

Beelden zijn niet de enige bron van informatie. Hier zijn voorbeelden van databases die hersenonderzoekers gebruiken:

  • NeuronDB biedt diagrammen van specifieke neuronen in het menselijk brein en vertelt je welke inputs ervoor zorgen dat ze ontbranden [bron: Marenco].
  • ModelDB slaat wiskundige modellen op van hoe neuronen en neuronnetwerken elektrische signalen verzenden. "De verzameling van miljoenen cellen die dat doen, wordt beweging, sensatie, cognitie, emotie en menselijke ervaring", zegt Wilson. "Om een ​​model te maken van de functie van de hersenen, beginnen we daarmee" [bron: Shepherd].

Nu we het menselijk brein in kaart kunnen brengen, hoe ver zijn we gekomen? Zijn we al klaar? Zijn we zelfs dichtbij? Ontdek op de volgende pagina.

De complete hersenkaart

Een vrouw onderzoekt een tentoonstelling in Dresden, Duitsland, en toont de neurobiologische processen van het menselijk brein. Kunnen we emoties uiteindelijk als geluk in kaart brengen?

Een vrouw onderzoekt een tentoonstelling in Dresden, Duitsland, en toont de neurobiologische processen van het menselijk brein. Kunnen we emoties uiteindelijk als geluk in kaart brengen?

Na het afbeelden van de hersenen van populaties die groot genoeg zijn om statistieken te genereren, hebben onderzoekers geavanceerde hersenkaarten gemaakt. Er zijn kaarten om te illustreren waar we hersenvolume verliezen als we ouder worden, naarmate AIDS vordert en als we methamfetaminen gebruiken.

Hoe ziet een complete kaart van het menselijk brein eruit? Dat hangt van je interesses af. Als je dorst om de structuur van het brein te kennen, wil je misschien die hypothetische Google Earth-versie zien die kan beginnen met een foto van onze cortex en inzoomen op neuron nummer 888.898.432.857.

Dit complete Google Earth-kaarttype is op veel punten vastgelopen. Eén zo'n punt is de beeldvorming van alle neuronen van het menselijk brein en hun verbindingen. Zelfs het verkrijgen van deze gegevens in de muis is nauwgezet, zegt de Harvard-bioloog Jeff Lichtman. In het tempo van de ATLUM en een elektronenmicroscoop werkt nu, zou het krijgen van een kaart van alle onderling verbonden neuronen in het muizenbrein 200.000 weken duren, schat Lichtman. De gegevens zouden "groter zijn dan alle gegevens op internet - groter dan alle gegevens in alle bibliotheken ter wereld", zegt hij. "Op dit moment is het soort opslag dat mogelijk is op computers niet helemaal op orde." Het enige "brein" waarvoor we een volledige kaart van onderling verbonden neuronen hebben, behoort toe C. elegans, "een worm die een millimeter lang is en 300 zenuwcellen heeft", zegt Lichtman.

Nogmaals, je definitie van een complete hersenkaart hangt af van je interesses. Als u een neuropsychiater bent, bijvoorbeeld, kan een volledige kaart van de hersenen een time-lapse-afbeelding zijn die laat zien hoe de bipolaire stoornis zich vanaf de geboorte tot aan het eerste symptoom in de hersenen ontwikkelt en wat lithium doet om het proces te stoppen.

Dat is misschien niet genoeg voor jou. Misschien wil je de laatste functie van de hersenen weten. Helaas is dat onmogelijk. We kunnen geen functies vastleggen die te snel of te langzaam plaatsvinden, zegt neurobioloog Charles Wilson. Andere processen duren een leven lang. Geen beeldvormend onderzoek heeft iemand gevolgd van de geboorte tot de dood. "Geen enkele methode die we kennen, behandelt elke keer dat we geïnteresseerd zijn, geen enkele methode die we kennen, behandelt meer dan een klein stukje ervan", zegt Wilson. Op dit moment zegt Lichtman dat er momenteel geen inspanningen zijn om al deze kaarten in één te integreren.

Maar er is geen fundamentele reden waarom we uiteindelijk geen - of alle - van deze kaarten kunnen hebben, zegt Wilson. "De problemen zijn allemaal praktische technische problemen die kunnen worden opgelost. Zoals met elke kaart, is het beter dan met geen enkele kaart, en als je begint met een ruwe kaart, heb je geen nieuwe kaart nodig. om het meer verfijnd te maken. We zullen niet op een dag wakker worden en dit hebben. We zullen vandaag een beetje toevoegen, een beetje morgen, en op een bepaald moment zullen we zeggen: 'Wow, dit begint er goed uit te zien. '

Zie de volgende pagina voor meer informatie over het proces van hersenkartering.

U gebruikt het allemaal

Het is een mythe dat we maar 10 procent van onze hersenen gebruiken. We gebruiken het allemaal. Hersenbeelden hebben gezamenlijk activiteit in alle delen gedocumenteerd. Wat meer is, schade aan een klein gebied kan grote vermogens wegnemen. Lees meer over de hersenmythe van 10 procent op de website van professor Eric Chudler aan de Universiteit van Washington.


Video Supplement: Human brain mapping and brain decoding. | Jack Gallant | TEDxSanFrancisco.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com