Opmerking van de uitgever: In deze wekelijkse serie onderzoekt WordsSideKick.com hoe technologie wetenschappelijke verkenning en ontdekking stimuleert.
Menselijke ervaring wordt bepaald door de hersenen, maar veel over deze 3-pond. orgel blijft een mysterie. Toch hebben wetenschappers, van hersenbeeldvorming tot hersencomputerinterfaces, indrukwekkende vooruitgang geboekt bij het ontwikkelen van technologieën om in de geest te kijken.
Beeldvorming van de hersenen
Momenteel kunnen wetenschappers die de hersenen bestuderen, kijken naar de structuur of de functie ervan. Bij structurele beeldvorming maken machines snapshots van de grootschalige anatomie van de hersenen, die bijvoorbeeld kan worden gebruikt om tumoren of bloedstolsels te diagnosticeren. Functionele beeldvorming geeft een dynamisch beeld van de hersenen en laat zien welke gebieden actief zijn tijdens denken en perceptie.
Structurele beeldvormende technieken omvatten CAT-scans of computergestuurde axiale tomografie, waarbij beelden van plakjes door de hersenen worden genomen door röntgenstralen vanuit verschillende hoeken naar het hoofd te sturen. CAT- of CT-scans worden vaak gebruikt om bijvoorbeeld een hersenletsel te diagnosticeren. Een andere methode, positronemissietomografie (PET), genereert zowel 2D- als 3D-beelden van de hersenen: een radioactief gelabelde chemische stof die in het bloed wordt geïnjecteerd, zendt gammastraling uit die een scanner detecteert. En magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) geeft een beeld van de algehele structuur van de hersenen door de magnetische spin van atomen in een sterk magnetisch veld te meten.
'Het lijdt geen twijfel dat MRI waarschijnlijk de beste manier is om de hersenen te zien', zegt dr. Mauricio Castillo, radioloog aan de University of North Carolina in Chapel Hill en hoofdredacteur van het American Journal of Neuroradiology.
Op het gebied van functionele beeldvorming is de huidige gouden standaard functionele MRI (fMRI). Deze techniek meet veranderingen in de bloedstroom naar verschillende hersengebieden als een proxy voor welke gebieden actief zijn wanneer iemand een taak uitvoert zoals het lezen van een woord of het bekijken van een afbeelding.
"Tegenwoordig ligt de nadruk op het proberen samen te voegen hoe de hersenen zijn verbonden met de activering van de cortex," zei Castillo.
Verschillende methoden kunnen worden gecombineerd om de hersenstructuur en -functie samen te voegen. MRI- en PET-scans kunnen bijvoorbeeld tegelijkertijd worden uitgevoerd en de afbeeldingen kunnen worden gecombineerd om fysiologische activiteit te tonen die bovenop een anatomische kaart van de hersenen is gelegd. Het eindresultaat kan worden gebruikt om een chirurg de locatie van een hersenletsel te vertellen, zodat deze kan worden verwijderd, zei Castillo.
Onlangs is een nieuwe techniek ontwikkeld om letterlijk in de hersenen te kijken. Riep CLARITY (oorspronkelijk voor Clear Lipid-uitgewisselde Acrylamide-gehybridiseerde Rigid Imaging / Immunokleuring / In situ hybridisatie-compatibele Tissue-hYdrogel), het kan een (niet-levend) brein transparant maken voor licht terwijl de structuur intact blijft. De techniek is al gebruikt om de neurologische bedrading van een volwassen muizenbrein te visualiseren.
Gedachten decoderen
Sommige wetenschappers willen figuurlijker in de hersenen kijken. Voer hersencomputerinterfaces (BCI's of BMI's, hersenmachine-interfaces) in, apparaten die hersensignalen verbinden met een extern apparaat, zoals een computer of prothetische ledemaat. BCI's variëren van niet-invasieve systemen die bestaan uit elektroden die op de hoofdhuid zijn geplaatst, tot meer invasieve systemen waarbij de elektroden in de hersenen zelf moeten worden geïmplanteerd.
Niet-invasieve BCI's omvatten op de hoofdhuid gebaseerde elektro-encefalografie (EEG), die de activiteit van veel neuronen over grote hersengebieden registreert. Het voordeel van op EEG gebaseerde systemen is dat ze geen operatie nodig hebben. Aan de andere kant kunnen deze systemen alleen algemene hersenactiviteit detecteren, dus de gebruiker moet zijn of haar gedachten op slechts één taak concentreren.
Meer invasieve systemen omvatten elektrocorticografie (ECoG), waarbij elektroden op het oppervlak van de hersenen worden geïmplanteerd om EEG-signalen van de cortex op te nemen. Sinds Wilder Penfield en Herbert Jasper begin jaren vijftig pionierden met de techniek, is deze onder andere gebruikt om hersengebieden te identificeren waar epileptische aanvallen beginnen.
Sommige BCI's gebruiken elektroden die in de hersenschors zijn geïmplanteerd. Hoewel deze systemen invasiever zijn, hebben ze een veel betere resolutie en kunnen ze de signalen opvangen die door individuele neuronen worden verzonden. BCI's kunnen nu zelfs mensen met een dwarslaesie (verlamming van alle vier de ledematen) toestaan om een robotarm te besturen door alleen te denken, of gebruikers in staat te stellen woorden op een computerscherm te spellen met alleen hun geest.
Ondanks veel vooruitgang blijft er veel onbekend over de hersenen. Om deze kloof te dichten, beginnen Amerikaanse wetenschappers aan een nieuw project om het menselijk brein in kaart te brengen, aangekondigd door president Barack Obama in april, het BRAIN-initiatief (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies).
Maar neurowetenschappers hebben hun werk voor hen gedaan. 'De hersenen zijn waarschijnlijk de meest complexe machine in het universum', zei Castillo. 'We hebben het nog lang niet begrepen.'
