Bản đồ não hoạt động như thế nào

Bộ não con người là một nút của 100 tỷ tế bào thần kinh và các tế bào hỗ trợ . Chúng ta có thể lưu trữ cả một đời ký ức ở đó. Chúng ta có thể sử dụng nó để viết sonnet và chế tạo máy bay . Chắc chắn, não của voi lớn hơn, nặng hơn và có nhiều tế bào thần kinh hơn, nhưng voi cũng thiếu khả năng của chúng ta. Có mưu đồ? Các nhà khoa học chắc chắn là như vậy. Đó là một lý do tại sao họ đang lập bản đồ não người, một dự án quan trọng có thể mất hàng thập kỷ để hoàn thành.

Lập bản đồ não cố gắng liên hệ cấu trúc của não với chức năng của nó, hoặc tìm những bộ phận nào mang lại cho chúng ta những khả năng nhất định. Ví dụ, khía cạnh nào của bộ não cho phép chúng ta sáng tạo hoặc logic? Đây được gọi là bản địa hóa của chức năng .

Trong việc lập bản đồ các chức năng của não, các nhà khoa học sử dụng hình ảnh để theo dõi bộ não làm việc với nhiều nhiệm vụ khác nhau. Charles Wilson, một nhà sinh học thần kinh tại Đại học Texas ở San Antonio, giải thích sự bản địa hóa chức năng theo cách này:

Lập bản đồ não cũng nhìn từ bên ngoài vào. Nó kiểm tra cách môi trường của chúng ta thay đổi cấu trúc não bằng cách nghiên cứu, ví dụ, bộ não thay đổi thể chất như thế nào thông qua quá trình học tập và lão hóa . Lập bản đồ não cũng kiểm tra những gì xảy ra về thể chất trong não khi mắc bệnh tâm thần và các bệnh não khác.

Cuối cùng, lập bản đồ não nhằm mục đích cung cấp cho chúng ta một bức tranh toàn cảnh về cấu trúc bộ não của chúng ta. Google Earth hiển thị cho chúng ta các hình ảnh vệ tinh về hành tinh của chúng ta và phóng to các lục địa, quốc gia, tiểu bang, thành phố, đường cao tốc, đường phố và tòa nhà. Một bản đồ cấu trúc hoàn chỉnh của bộ não của chúng ta có thể tương tự. Nó có thể cho chúng ta thấy toàn bộ bộ não của chúng ta; tất cả các vùng, các thùy chức năng, các trung tâm chuyên biệt, các “bó” nơron dày kết nối các phần não, các mạch nơron, các nơron đơn lẻ, các điểm nối giữa các nơron và cuối cùng là các bộ phận của nơron. Các nhà khoa học vẫn đang phát triển các phần có thể hình thành nên tấm bản đồ khổng lồ này.

Lập bản đồ não là một tập hợp của nhiều công cụ khác nhau. Các nhà nghiên cứu phải thu thập hình ảnh của não, biến những hình ảnh đó thành dữ liệu, và sau đó sử dụng dữ liệu đó để phân tích những gì xảy ra trong não khi nó phát triển.

Đọc tiếp để tìm hiểu cách các nhà nghiên cứu lập bản đồ não.

1. Công nghệ và phương pháp lập bản đồ não
2. Công dụng của Lập bản đồ não
3. Bản đồ não: Cách chúng ta sử dụng bản đồ não
4. Bản đồ não hoàn chỉnh

Các nhà khoa học sử dụng nhiều phương pháp để nghiên cứu cấu trúc và chức năng của não bộ. Họ chụp ảnh bộ não khỏe mạnh và so sánh với bộ não bị bệnh. Ngoài ra, họ kiểm tra não lấy từ người, động vật linh trưởng và động vật có vú nhỏ và cố gắng tìm hiểu cách hoạt động của hệ thống thần kinh nhỏ hơn của động vật không xương sống. Ở cấp độ vi mô, họ cũng kiểm tra các tế bào thần kinh.

Dưới đây là một số công cụ được sử dụng trong lập bản đồ não. Các kỹ thuật này chụp ảnh não:

Những kỹ thuật này kiểm tra hoạt động của não:

Các phương pháp mới cho phép các nhà nghiên cứu nhìn thấy tất cả các kết nối giữa các tế bào thần kinh trong một bộ não còn nguyên vẹn. Nhánh nghiên cứu này được gọi là kết nối. "Sơ đồ đi dây" của não được gọi là kết nối [nguồn: Lichtman ]. Jeff Lichtman, nhà sinh vật học Harvard, người đứng đầu nhóm phát triển một số kỹ thuật mới cho biết: “Cho đến gần đây, chúng tôi không có hy vọng có được những sơ đồ đi dây này. "Chúng tôi có thể nhìn thấy các tế bào riêng lẻ, nhưng không bao giờ nhìn thấy tất cả chúng cùng một lúc."

Một kỹ thuật như vậy, được gọi là Brainbow , gắn nhãn mỗi nơ-ron trong não động vật sống là một màu khác. Bằng cách tạo ra hình ảnh của não động vật, các nhà khoa học có thể thấy vị trí và cách các tế bào thần kinh kết nối với nhau. Khi con vật lớn lên và già đi, chúng cũng có thể quan sát cách các tế bào thần kinh thay đổi kết nối.

Một kỹ thuật khác sử dụng ATLUM, hoặc máy tiện siêu nhỏ tự động thu băng . Máy này đọc sơ đồ dây của một bộ não. Lichtman giải thích: “Chúng tôi làm điều gì đó tương tự như gọt một quả táo. "Về cơ bản, chúng tôi cạo một đường cắt xoắn ốc khi chúng tôi xoay bộ não trên máy tiện và đặt dải mô này lên một cuộn băng. Cuối cùng chúng tôi sẽ thu được một cuộn băng dài cực kỳ, về cơ bản là toàn bộ bộ não. Sử dụng kính hiển vi điện tử , chúng tôi sẽ hình ảnh đó để xem cấu trúc của hệ thống dây điện. "

Cho đến nay, Brainbow và ATLUM chỉ được sử dụng để nghiên cứu động vật có bộ não tương đối nhỏ, như chuột.

Vậy, vấn đề là gì? Việc lập bản đồ có thể thực hiện được điều gì, nếu có? Tìm hiểu những gì chúng ta có thể học được từ việc lập bản đồ não người ở trang tiếp theo.

Một phMRI có thể nghiên cứu đau không?

In a study at Britain's Oxford Centre for Functional Magnetic Resonance Imaging of the Brain, researchers recorded images of patients' brains as their skin was burned and as the patients received increasing doses of painkiller. Pain centers in patients' brains became less active as the drug doses increased. This straightforward measure of a drug's effect in the brain may eventually be used to test psychiatric drugs [source: Matthews].

Why would scientists take on the arduous task of brain mapping? The answer is simple, says Lichtman: to understand our brains more intimately. We have never seen a diagram of how all of the neurons in the brain connect. As Jeff Lichtman puts it, "A lot of our thinking about the brain is based on incomplete knowledge of what is actually there. So we would like to see what is actually there."

The brain's wiring diagram may help us better understand how we learn and adapt, says Lichtman. "We start out being less well adapted to our environment than any other animal. By the time we're adults, we can use tools that our genetic heritage couldn't possibly have taught our nervous system to use -- like iPods. No other animal can do that. During our development, we must wire ourselves to [be able to] use these machines."

Brain mapping is also of practical use to doctors. Neurosurgeons use brain mapping to plan safer surgeries. One treatment for epilepsy, for example, removes the affected part of the brain. Using functional MRI and EEG, surgeons can locate the seizure center in a patient's brain -- as well as areas that are active during speaking and moving -- down to the millimeter. These images tell doctors what to leave and what to cut out.

Brain imaging is not only used in treatment. It is used to diagnose neurodegenerative diseases like Parkinson's and Alzheimer's [source: Wilson]. Using tagging techniques like PET, doctors look for drops in certain brain chemicals, or they may use MRI to examine shrinkages in areas show tissue loss. Over time, doctors can map what the brain looks like as diseases progress or as treatments work [source: Institute for Neurodegenerative Disorders].

Developmental disorders like autism may have a structural basis in the brain. Lichtman points out that autism is thought to involve a series of wrong connections between neurons. By applying Brainbow to a mouse with autism, researchers might see the wiring diagram evolve to find out how, when and if the wiring goes wrong.

Scientists have also sought to illustrate the effects of various mental illnesses in the brain, with some success. Brain imaging on these patients revealed structural abnormalities. For example, structural MRI has shown that schizophrenic patients lose matter in the temporal and prefrontal cortex over time [Source: Rapoport]. These findings have yet to lead to treatments.

Panic disorder , bipolar disorder , depression , anxiety, eating disorders and more are being examined using different brain imaging techniques, but how do we interpret scientists' findings? More importantly, where can we see them? Find out on the next page.

Sarcasm Mapped. Consciousness Still Elusive.

Doctors and scientists have learned more from brain mapping than this article can cover. Here are two highlights:

• Sarcasm: We detect sarcasm using a brain region called the right parahippocampal gyrus. Researchers discovered this using functional MRI on patients with deterioration in that region and have lost all sense of sarcasm [source: Hurley].
• Ý thức: Theo Rodolfo Llinas của Đại học New York, chúng ta có thể chia bộ não thành một trung tâm đồng bộ hóa nằm sâu trong não và các vòng nơron giúp chúng ta suy nghĩ cao hơn. Chúng tôi cảm thấy có ý thức khi trung tâm giữ cho các vòng lặp hoạt động hài hòa. Nhưng nếu một trong hai bộ phận bị hư hại, chúng ta có thể mất một phần hoặc toàn bộ ý thức, Nicholas Schiff tại Đại học Y tế Weill thuộc Đại học Cornell cho biết. Điều này có thể giải thích tại sao những bệnh nhân không có dấu hiệu nhận thức bên ngoài trong nhiều năm có thể cho thấy hoạt động não hoàn toàn bình thường để phản ứng với một giọng nói quen thuộc. Chúng có các vòng lặp hoạt động riêng lẻ, giống như mạng nơ-ron xử lý ngôn ngữ [nguồn: Zimmer ].

Tin học thần kinh đặt tất cả dữ liệu chúng ta có trên não lên Internet ở dạng có thể sử dụng được. Dữ liệu bao gồm hình ảnh, mô hình hành vi của nơ-ron và bản đồ của các gen được "bật" trong các vùng não khác nhau. Bằng cách làm cho dữ liệu có thể chia sẻ và có thể tìm kiếm được, các nhà nghiên cứu não bộ có thể phân tích các nghiên cứu của nhau và khám phá thêm.

Các kỹ sư đang viết phần mềm để giúp các nhà nghiên cứu não bộ chia sẻ và so sánh dữ liệu. Ví dụ, phần mềm hiện phân tích xem liệu MRI của bệnh nhân Alzheimer với các kích thước và hình dạng não khác nhau có các đặc điểm não giống nhau hay không. Đàn ông có cấu trúc não nhất định có khuynh hướng mắc chứng rối loạn lưỡng cực không? Câu hỏi này, và nhiều câu hỏi khác, một ngày nào đó có thể được trả lời bằng các chương trình máy tính phân tích lại hình ảnh của những bệnh nhân trong quá khứ hơn là bằng cách nghiên cứu những hình ảnh mới.

Dưới đây là các ví dụ về atlase não mà các nhà nghiên cứu có thể khai thác để tìm câu trả lời:

Hình ảnh không phải là nguồn thông tin duy nhất. Dưới đây là các ví dụ về cơ sở dữ liệu mà các nhà nghiên cứu não bộ sử dụng:

Bây giờ chúng ta có thể lập bản đồ bộ não con người, chúng ta đã đi được bao xa? Chúng ta xong chưa? Chúng ta có thân nhau không? Tìm hiểu trên trang tiếp theo.

Sau khi chụp ảnh não của các quần thể đủ lớn để tạo ra số liệu thống kê, các nhà nghiên cứu đã tạo ra các bản đồ não phức tạp. Có những bản đồ để minh họa nơi chúng ta mất khối lượng não khi già đi, khi bệnh AIDS tiến triển và khi chúng ta sử dụng methamphetamines.

Một bản đồ hoàn chỉnh của bộ não con người sẽ như thế nào? Điều đó phụ thuộc vào sở thích của bạn. Nếu bạn muốn biết cấu trúc của não, bạn có thể muốn xem phiên bản Google Earth giả định có thể bắt đầu bằng hình ảnh về vỏ não của chúng ta và phóng to đến số nơ-ron 888.898.432.857.

Loại bản đồ Google Earth hoàn chỉnh này bị đình trệ ở nhiều điểm. Một trong những điểm như vậy là hình ảnh của tất cả các tế bào thần kinh của não người và các kết nối của chúng. Nhà sinh vật học Jeff Lichtman của Đại học Harvard cho biết, ngay cả việc thu thập dữ liệu này trên chuột cũng rất khó khăn. Lichtman ước tính với tốc độ ATLUM và kính hiển vi điện tử đang hoạt động, việc nhận được bản đồ của tất cả các nơ-ron được kết nối với nhau trong não chuột sẽ mất 200.000 tuần, Lichtman ước tính. Ông nói: "Dữ liệu lớn hơn tất cả dữ liệu trên Internet - lớn hơn tất cả dữ liệu trong tất cả các thư viện trên thế giới". "Hiện tại, loại lưu trữ có thể có trên máy tính không hoàn toàn phù hợp." "Bộ não" duy nhất mà chúng ta có một bản đồ hoàn chỉnh về các tế bào thần kinh liên kết với nhau thuộc về C. elegans , "một loài giun"Lichtman nói.

Một lần nữa, định nghĩa của bạn về một bản đồ não hoàn chỉnh phụ thuộc vào sở thích của bạn. Ví dụ: nếu bạn là bác sĩ tâm thần kinh, một bản đồ hoàn chỉnh của não có thể là một hình ảnh tua nhanh thời gian cho thấy rối loạn lưỡng cực bộc phát như thế nào trong não từ khi sinh ra cho đến khi có triệu chứng đầu tiên và lithium làm gì để ngăn chặn quá trình này.

Điều đó có thể là không đủ cho bạn. Bạn có thể muốn biết chức năng của bộ não từng inch cuối cùng. Thật không may, điều đó là không thể. Nhà sinh học thần kinh Charles Wilson cho biết, chúng ta không thể nắm bắt các chức năng diễn ra quá nhanh hoặc quá chậm. Các quy trình khác mất cả đời. Không có nghiên cứu hình ảnh nào theo dõi một người nào đó từ khi sinh ra cho đến khi chết . Wilson nói: "Không có phương pháp nào mà chúng tôi biết xử lý mọi lúc quan tâm. Không có phương pháp nào chúng tôi biết xử lý nhiều hơn một phần nhỏ của nó". Tại thời điểm này, Lichtman cho biết hiện tại không có nỗ lực nào đang được tiến hành để tích hợp tất cả các bản đồ này thành một.

Nhưng không có lý do cơ bản nào khiến cuối cùng chúng ta không thể có bất kỳ - hoặc tất cả - những bản đồ này, Wilson nói. "Các vấn đề đều là vấn đề công nghệ thực tế có thể khắc phục được. Như với bất kỳ bản đồ nào, nếu bạn bắt đầu với bản đồ thô, tốt hơn là không có bản đồ. Và bạn không cần bản đồ mới. Bạn chỉ cần thêm thông tin vào bản đồ cũ để làm cho nó trở nên tinh tế hơn. Chúng ta sẽ không thức dậy vào một ngày nào đó và có cái này. Chúng ta sẽ thêm một chút vào ngày hôm nay, một chút vào ngày mai và một lúc nào đó, chúng ta sẽ nói, 'Chà, điều này đang bắt đầu trông khá đẹp. '"

Để biết thêm thông tin về quá trình lập bản đồ não, hãy xem trang tiếp theo.

Bạn sử dụng tất cả

Thật là hoang đường khi chúng ta chỉ sử dụng 10% bộ não của mình. Chúng tôi sử dụng tất cả. Hình ảnh não có hoạt động được ghi lại chung trong tất cả các bộ phận. Hơn nữa, thiệt hại cho một khu vực nhỏ có thể quét sạch các khả năng lớn. Đọc thêm về huyền thoại 10 phần trăm não trên trang web của giáo sư Eric Chudler tại Đại học Washington.

Những bài viết liên quan

Các liên kết tuyệt vời hơn