Sådan fungerer hjernekortlægning

Den menneskelige hjerne er en knude på 100 milliarder neuroner og støtteceller. Vi kan gemme et helt liv af minder der. Vi kan bruge den til at skrive sonetter og bygge fly. Jo da, en elefants hjerne er større, vejer mere, og har flere neuroner, men elefanter mangler også vores evner. Interesseret? Det er forskere helt sikkert. Det er en af ​​grundene til, at de kortlægger den menneskelige hjerne, et omfattende projekt, der kan tage årtier at gennemføre.

Hjernekortlægning forsøger at relatere hjernens struktur til dens funktion, eller finde hvilke dele, der giver os visse evner. For eksempel, hvilket aspekt af vores hjerne giver os mulighed for at være kreative eller logiske? Dette kaldes lokalisering af funktion .

Ved kortlægning af hjernefunktioner, forskere bruger billeddannelse til at se hjernen arbejde med forskellige opgaver. Charles Wilson, en neurobiolog ved University of Texas i San Antonio, forklarer lokalisering af funktion på denne måde:

Hjernekortlægning ser også udefra og ind. Den undersøger, hvordan vores miljø ændrer vores hjernestruktur ved at studere, for eksempel, hvordan hjernen ændrer sig fysisk gennem lærings- og aldringsprocesserne. Hjernekortlægning undersøger også, hvad der går galt fysisk i hjernen under psykiske sygdomme og andre hjernesygdomme.

Endelig, hjernekortlægning har til formål at give os et grundigt billede af vores hjernes struktur. Google Earth viser os satellitbilleder af vores planet og zoomer ind på kontinenter, lande, stater, byer, motorveje, gader og bygninger. Et komplet strukturelt kort over vores hjerne kan være ens. Det kunne vise os hele vores hjerne; alle regioner, funktionelle lapper, specialiserede centre, tykke neuron "bundter", der forbinder hjernedele, neuronkredsløb, enkelte neuroner, kryds mellem neuroner og endelig, neuron dele. Forskere udvikler stadig de dele, der kan danne dette massive kort.

Hjernekortlægning er en samling af mange forskellige værktøjer. Forskere skal indsamle billeder af hjernen, forvandle disse billeder til data, og brug derefter disse data til at analysere, hvad der sker i hjernen, efterhånden som den udvikler sig.

Læs videre for at lære, hvordan forskere kortlægger hjernen.

1. Hjernekortlægningsteknologi og -metoder
2. Anvendelser af hjernekortlægning
3. Brain Atlas:Hvordan vi bruger hjernekort
4. Det komplette hjernekort

Hjernekortlægningsteknologi og -metoder

Forskere bruger mange metoder til at studere hjernens struktur og funktion. De tager billeder af sunde hjerner og sammenligner dem med syge hjerner. Ud over, de undersøger hjerner taget fra mennesker, primater og små pattedyr og forsøge at forstå, hvordan hvirvelløse dyrs mindre nervesystem fungerer. På et mikroskopisk niveau, de undersøger også neuroner.

Her er nogle værktøjer, der bruges til hjernekortlægning. Disse teknikker tager billeder af hjernen:

• Computersaksial tomografi (CAT) scanning Røntgenstråler hjernen fra mange vinkler og viser strukturelle abnormiteter.
• Strukturel MR scanning udnytter vand i hjernen til at skabe billeder med bedre opløsning end en CAT -scanning.
• Diffusion tensor-MRI (DTI) billeder "områder" af neuroner, der forbinder hjerneområder ved at følge vandbevægelse i hjernen.

Disse teknikker undersøger hjernens aktivitet:

• Elektroencefalografi (EEG) angiver elektrisk aktive steder i hjernen ved hjælp af detektorer implanteret i hjernen eller båret på en hætte.
• Positronemissionstomografi (KÆLEDYR) tager billeder af radioaktive markører i hjernen.
• Funktionel MR (fMRI) viser billeder af hjerneaktivitet, mens emner arbejder på forskellige opgaver.
• Farmakologisk funktionel MR (phMRI) viser hjerneaktivitet, når lægemidler administreres.
• Transkraniel magnetisk stimulation (TMS) stimulerer ikke -invasivt dele af hjernen til at udløse bestemt adfærd.

Nye metoder giver forskere mulighed for at se alle forbindelserne mellem neuroner i en intakt hjerne. Denne studiegren kaldes connectomics. "Ledningsdiagrammet" for en hjerne kaldes a forbinde [kilde:Lichtman]. "Indtil for nylig, vi havde intet håb om at få disse ledningsdiagrammer, "siger Jeff Lichtman, en Harvard -biolog, der ledede gruppen, der udviklede nogle af de nye teknikker. "Vi kunne se individuelle celler, men aldrig dem alle på én gang. "

En sådan teknik, kendt som Hjernebue , mærker hver neuron i et levende dyrs hjerne en anden farve. Ved at generere billeder af dyrets hjerne, forskere kan se, hvor og hvordan neuroner forbinder hinanden. Når dyret vokser og ældes, de kan også se, hvordan neuronerne ændrer forbindelser.

En anden teknik bruger ATLUM, eller automatisk båndopsamlende drejebænk ultramikrotom . Denne maskine læser ledningsdiagrammet for en hjerne. "Vi gør noget, der ligner at parre et æble, "forklarer Lichtman." Vi barberer hovedsageligt et spiralformet snit, mens vi roterer hjernen på en drejebænk og lægger dette bånd af væv på et bånd. Vi får til sidst et enormt langt bånd, som i det væsentlige er hele hjernen. Ved hjælp af et elektronmikroskop, vi vil forestille os det for at se ledningens struktur. "

Indtil nu, Brainbow og ATLUM bruges kun til at undersøge dyr med relativt små hjerner, som mus.

Så, hvad er pointen? Hvad, hvis noget, kan kortlægning opnå? Lær, hvad vi kan lære ved at kortlægge den menneskelige hjerne på den næste side.

I en undersøgelse ved Storbritanniens Oxford Center for Functional Magnetic Resonance Imaging of the Brain, forskere optog billeder af patienters hjerner, da deres hud blev brændt, og da patienterne fik stigende doser smertestillende medicin. Smertecentre i patienternes hjerner blev mindre aktive, da lægemiddeldoserne steg. Denne ligefremme måling af et lægemiddels effekt i hjernen kan i sidste ende bruges til at teste psykiatriske lægemidler [kilde:Matthews].

Anvendelser af hjernekortlægning

Hvorfor ville forskere påtage sig den hårde opgave med hjernekortlægning? Svaret er enkelt, siger Lichtman:at forstå vores hjerner mere intimt. Vi har aldrig set et diagram over, hvordan alle neuroner i hjernen forbinder. Som Jeff Lichtman udtrykker det, "Meget af vores tænkning om hjernen er baseret på ufuldstændig viden om, hvad der egentlig er der. Så vi vil gerne se, hvad der egentlig er der."

Hjernens ledningsdiagram kan hjælpe os med bedre at forstå, hvordan vi lærer og tilpasser os, siger Lichtman. "Vi starter med at være mindre godt tilpasset vores miljø end noget andet dyr. Da vi er voksne, vi kan bruge værktøjer, som vores genetiske arv umuligt kunne have lært vores nervesystem at bruge - som iPods. Intet andet dyr kan gøre det. Under vores udvikling, vi må koble os til [at kunne] bruge disse maskiner. "

Hjernekortlægning er også praktisk for læger. Neurokirurger bruger hjernekortlægning til at planlægge sikrere operationer. En behandling for epilepsi, for eksempel, fjerner den berørte del af hjernen. Ved hjælp af funktionel MR og EEG, kirurger kan lokalisere anfaldscenteret i en patients hjerne - samt områder, der er aktive under tale og bevægelse - ned til millimeter. Disse billeder fortæller læger, hvad de skal efterlade, og hvad de skal klippe ud.

Hjernebilleddannelse bruges ikke kun i behandlingen. Det bruges til at diagnosticere neurodegenerative sygdomme som Parkinsons og Alzheimers [kilde:Wilson]. Ved hjælp af mærkningsteknikker som PET, læger leder efter dråber i visse hjernekemikalier, eller de kan bruge MR til at undersøge krympninger i områder, der viser vævstab. Over tid, læger kan kortlægge, hvordan hjernen ser ud, når sygdomme skrider frem eller som behandlinger virker [kilde:Institute for Neurodegenerative Disorders].

Udviklingsforstyrrelser som autisme kan have et strukturelt grundlag i hjernen. Lichtman påpeger, at autisme menes at indebære en række forkerte forbindelser mellem neuroner. Ved at anvende Brainbow på en mus med autisme, forskere kan se ledningsdiagrammet udvikle sig for at finde ud af, hvordan når og hvis ledningerne går galt.

Forskere har også søgt at illustrere virkningerne af forskellige psykiske sygdomme i hjernen, med en vis succes. Hjernebilleddannelse på disse patienter afslørede strukturelle abnormiteter. For eksempel, strukturel MR har vist, at skizofrene patienter mister stof i tidsmæssig og præfrontal cortex over tid [Kilde:Rapoport]. Disse fund har endnu ikke ført til behandlinger.

Panikangst, maniodepressiv, depression, angst, spiseforstyrrelser og mere undersøges ved hjælp af forskellige hjernebilledteknikker, men hvordan fortolker vi forskernes fund? Vigtigere, hvor kan vi se dem? Find ud af det på den næste side.

Læger og forskere har lært mere af hjernekortlægning, end denne artikel kan dække. Her er to højdepunkter:

• Sarkasme: Vi opdager sarkasme ved hjælp af en hjerne -region kaldet højre parahippocampus gyrus . Forskere opdagede dette ved hjælp af funktionel MR på patienter med forringelse i denne region og har mistet al sarkasme [kilde:Hurley].
• Bevidsthed: Ifølge Rodolfo Llinas fra New York University, vi kan opdele hjernen i et synkroniseringscenter dybt i hjernen og neuronsløjfer, der giver os en større tanke. Vi føler os bevidste, når midten holder sløjferne i harmoni. Men hvis en del er beskadiget, vi kan miste noget eller al bevidsthed, siger Nicholas Schiff ved Cornell University's Weill Medical College. Dette kan forklare, hvorfor patienter uden ydre bevidsthedstegn i årevis kan vise helt normal hjerneaktivitet som reaktion på en velkendt stemme. De har sløjfer, der arbejder isoleret, ligesom de neurale netværk, der behandler sprog [kilde:Zimmer].

Brain Atlas:Hvordan vi bruger hjernekort

Neuroinformatik placerer alle de data, vi har om hjernen, på Internettet i brugbar form. Dataene omfatter billeder, modeller for neuronadfærd og kort over de gener, der er "tændt" i forskellige hjerneområder. Ved at gøre data delbare og søgbare, hjerneforskere kan afvise hinandens undersøgelser og opdage mere.

Ingeniører skriver software til at hjælpe hjerneforskere med at dele og sammenligne data. Software analyserer nu, for eksempel, om MR'er af Alzheimers patienter med forskellige hjernestørrelser og former har lignende hjernefunktioner. Er mænd med en bestemt hjernearkitektur disponeret for bipolar lidelse? Dette spørgsmål, og mange andre, kan en dag besvares af computerprogrammer, der genanalyserer billeder af tidligere patienter frem for ved at studere nye.

Her er eksempler på hjerneatlaser, som forskere kan udvinde for svar:

• Allen Mouse Brain Atlas :Musens hjerne udtrykker 21, 000 gener. Forskere skar hjernen op og farvede, hvor hvert gen udtrykkes. Besøgende kan se på fotos eller 3D-modeller af hjernen efter deres gen af ​​interesse [kilde:Allen Institute for Brain Science].

• Allen Human Cortex Atlas :Vores hjernebark giver os mulighed for at tænke, fornuft og husk. Forskere har også skåret dette op. De har også farvet, hvor 1, 000 gener - og tælling - udtrykkes. Du kan endda surfe på billederne [Kilde:Allen Institute for Brain Science].

• Hele hjerneatlas :Gemmer billeder af den menneskelige hjerne, når den ældes og bekæmper sygdomme [kilde:Becker].

Billeder er ikke den eneste informationskilde. Her er eksempler på databaser, hjerneforskere bruger:

• NeuronDB giver diagrammer over specifikke neuroner i den menneskelige hjerne og fortæller dig, hvilke input der får dem til at affyre [kilde:Marenco].

• ModelDB gemmer matematiske modeller for, hvordan neuroner og neuronnetværk sender elektriske signaler. "Indsamlingen af ​​millioner af celler, der gør det, bliver til bevægelse, sensation, erkendelse, emotion, og menneskelig erfaring, "siger Wilson." For at lave en model af hjernens funktion, vi starter med det "[kilde:Hyrde].

Nu hvor vi kan kortlægge den menneskelige hjerne, hvor langt er vi nået? Er vi færdige endnu? Er vi overhovedet tæt på? Find ud af det på den næste side.

Det komplette hjernekort

Efter at have afbildet hjernen i befolkninger, der er store nok til at generere statistik, forskere har lavet sofistikerede hjernekort. Der er kort til at illustrere, hvor vi mister hjernens volumen, når vi ældes, efterhånden som AIDS skrider frem, og når vi bruger metamfetamin.

Hvordan ville et komplet kort over den menneskelige hjerne se ud? Det afhænger af dine interesser. Hvis du tørster efter at kende hjernens struktur, du vil måske se den hypotetiske Google Earth -version, der kan begynde med et billede af vores cortex og zoome ind på neuron nummer 888, 898, 432, 857.

Denne komplette, Google Earths korttype er gået i stå på mange punkter. Et sådant punkt er billeddannelsen af ​​alle den menneskelige hjernes neuroner og deres forbindelser. Selv at få disse data i musen er omhyggelig, siger Harvard -biolog Jeff Lichtman. Med den hastighed ATLUM og et elektronmikroskop virker nu, at få et kort over alle de sammenkoblede neuroner i musens hjerne ville tage 200, 000 uger, Lichtman vurderer. Dataene ville være "større end alle data på Internettet - større end alle data på alle biblioteker i verden, "siger han." I øjeblikket den slags lagring, der er mulig på computere, er ikke helt til opgave. "Den eneste" hjerne ", som vi har et komplet kort over sammenkoblende neuroner tilhører C. elegans , "en orm, der er en millimeter lang og har 300 nerveceller, «siger Lichtman.

Igen, din definition af et komplet hjernekort afhænger af dine interesser. Hvis du er neuropsykiater, for eksempel, et komplet kort over hjernen kan være et time-lapse-billede, der viser, hvordan bipolar lidelse udspiller sig i hjernen fra fødslen til det første symptom, og hvad lithium gør for at stoppe processen.

Det er måske ikke nok for dig. Du vil måske kende funktionen af ​​hjernens hver eneste tomme. Desværre, det er umuligt. Vi kan ikke fange funktioner, der sker for hurtigt eller for langsomt, siger neurobiolog Charles Wilson. Andre processer tager et helt liv. Ingen billedstudie har fulgt nogen fra fødsel til død. "Ingen metode, vi kender til, håndterer hver gang af interesse. Ingen metode vi kender til håndterer mere end et lille stykke af den, "siger Wilson. På dette tidspunkt, Lichtman siger, at der ikke er nogen igangværende indsats for at integrere alle disse kort i et.

Men der er ingen grundlæggende årsag til, at vi i sidste ende ikke kan få - eller alle - disse kort, siger Wilson. "Problemerne er alle praktiske teknologiske problemer, der kan overvindes. Som med ethvert kort, hvis du starter med et groft kort, det er bedre end intet kort. Og du behøver ikke et nyt kort. Du tilføjer bare oplysninger til det gamle kort for at gøre det mere raffineret. Vi kommer ikke til at vågne op en dag og få det her. Vi kommer til at tilføje lidt i dag, lidt i morgen, og på et tidspunkt, vi vil sige, 'Wow, det begynder at se ret godt ud. '"

For mere information om processen med hjernekortlægning, tag et kig på den næste side.

Det er en myte, at vi kun bruger 10 procent af vores hjerner. Vi bruger det hele. Hjernebilleder har samlet dokumenteret aktivitet i alle dele. Hvad mere er, skader på et lille område kan udslette store evner. Læs mere om hjernens myte på 10 procent på professor Eric Chudlers websted ved University of Washington.

Masser mere information

relaterede artikler

• Sådan fungerer din hjerne
• Hjernequiz
• Sådan fungerer MR
• Sådan fungerer CAT -scanninger
• Sådan fungerer genier
• Sådan fungerer komaer
• Sådan fungerer Lucid Dreaming

Flere store links

• Internationalt konsortium for hjernekortlægning
• Allen Institute for Brain Science
• Yale University's SenseLab

Kilder

• Allen Institute for Brain Science. "Human Cortex:Kortikal genekspression." 15.7.2008. (7/16/2008) http://www.brain-map.org/content_description/content01
• Allen Institute for Brain Science. "Allen Brain Atlas:Mouse Brain. 7/15/2008. (7/16/2008) http://mouse.brain-map.org/about/index.html
• "Hjernescanning." Encyclopaedia Britannica. 2008. Encyclopaedia Britannica Online. (7/19/2008) http://www.search.eb.com/eb/article-9016179.
• Bailer, Ursula. "Ændret hjerne serotonin 5-HT1A receptorbinding efter genopretning fra anorexia nervosa målt ved positronemissionstomografi og [carbonyl11C] WAY-100635." Arkiv for almen psykiatri. Vol. 62, ingen. 9. september 2005.
• Becker, Alex og Keith Johnson. "Hele hjerneatlas." (7/10/2008) http://www.med.harvard.edu/AANLIB/home.html
• Brill, David. "Musens hjernekort er komplet." Natur. Vol. 443, ingen. 7110. 28/09/2006.
• Gura, Trisha. "Etiologi for spiseforstyrrelser undersøgt som tålmodighed mod en kur tyndes." Naturmedicin. Vol. 14, ingen. 5. maj 2008.
• Hurley, Dan. "Science of Sarcasm (Not That You Care)." New York Times. 3. juni kl. 2008. (7/9/2008) http://www.nytimes.com/2008/06/03/health/research/03sarc.html?_r=1&scp=1&sq=sarcasm%20mapped%20in%20the%20brain&st=cse&oref =slogin.
• Institut for neurodegenerative lidelser. "Funktionel hjernebilleddannelse." (7/9/2008). http://www.indd.org/research/functional.html
• Lichtman, Jeff. "En teknikfarvet tilgang til forbindelsen." Naturanmeldelser Neurovidenskab. Vol. 9. 6/2008.
• Lichtman, Jeff. Personligt interview. Udført 7/9/2008.
• Matthews, Paul. "Anvendelser af fMRI i translationel medicin og klinisk praksis." Naturanmeldelser Neurovidenskab. Vol. 7, ingen. 9. 9/2006.
• Marenco, Luis et al. "Neuron DB." (7/10/2008) http://senselab.med.yale.edu/neurondb/default.asp.
• Murray, Graham. "Substantia nigra/ventral tegmental belønningsforudsigelsesfejlafbrydelse i psykose." Molekylær psykiatri. Vol. 13, ingen. 3. 3/2008.
• National Institute of Mental Health Child Psychiatry Branch. "Filial for børnepsykiatri." 27.6.2008. (7/9/2008) http://intramural.nimh.nih.gov/chp/index.html.
• Rapoport, Judith. "Hjernens neuroplasticitet hos raske, hyperaktive og psykotiske børn:Indsigt fra neuroimaging. "Neuropsychopharmacology Reviews. Vol. 33, ingen. 1. 9/12/2006.
• Fårehyrde, Gordon. "The Human Brain Project:neuroinformatiske værktøjer til integration, søgning og modellering af tværfaglige neurovidenskabsdata. "Trends in Neurosciences. Vol. 21, ingen. 11. 11/1998.
• Fårehyrde, Gordon. "Model DB." (7/10/2008) http://senselab.med.yale.edu/modeldb/default.asp.
• Snyder, Salomon. "Et kompleks i psykose." Natur. Vol. 452, ingen. 7183. 3/3/2008.
• Toga, Arthur. "Mod multimodale atlasser i den menneskelige hjerne." Naturanmeldelser Neurovidenskab. Vol. 7, ingen. 12. 12/2006.
• Wilson, Charles. Personligt interview. Udført 7/9/2008.
• Zimmer, Carl. "Hvad hvis der sker noget derinde." New York Times Magazine. 28. september kl. 2003. (7/9/2008) http://query.nytimes.com/gst/fullpage.html?res=9503E0D71E3AF93BA1575AC0A9659C8B63.