Brain Mapping ทำงานอย่างไร

มนุษย์สมองเป็นปมของ 100 พันล้านเซลล์ประสาทและการสนับสนุนเซลล์ เราสามารถเก็บความทรงจำทั้งชีวิตไว้ที่นั่นได้ เราสามารถใช้มันเขียนโคลงและสร้างเครื่องบินได้ แน่นอนว่าสมองของช้างนั้นใหญ่กว่า หนักกว่า และมีเซลล์ประสาทมากกว่า แต่ช้างก็ขาดความสามารถของเราเช่นกัน ทึ่ง? นักวิทยาศาสตร์แน่ใจว่าเป็น นั่นเป็นเหตุผลหนึ่งที่พวกเขาทำแผนที่สมองของมนุษย์ ซึ่งเป็นโครงการสำคัญที่อาจใช้เวลาหลายทศวรรษกว่าจะเสร็จสมบูรณ์

การทำแผนที่สมองพยายามเชื่อมโยงโครงสร้างของสมองกับหน้าที่ของสมอง หรือค้นหาว่าส่วนใดที่ทำให้เรามีความสามารถบางอย่าง ตัวอย่างเช่น สมองของเราในด้านใดที่ทำให้เรามีความคิดสร้างสรรค์หรือมีเหตุผล? นี้เรียกว่าการแปลของฟังก์ชั่น

ในการทำแผนที่การทำงานของสมอง นักวิทยาศาสตร์ใช้ภาพเพื่อดูการทำงานของสมองในงานต่างๆ Charles Wilson นักประสาทวิทยาจาก University of Texas ที่ San Antonio อธิบายการแปลฟังก์ชันดังนี้:

การทำแผนที่สมองยังดูจากภายนอกใน. ได้ทำการตรวจสอบว่าสภาพแวดล้อมของเรามีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างสมองของเราโดยการศึกษาเช่นวิธีการที่สมองมีการเปลี่ยนแปลงทางร่างกายผ่านการเรียนรู้และกระบวนการริ้วรอยการทำแผนที่สมองยังตรวจสอบสิ่งที่ผิดปกติทางร่างกายในสมองระหว่างอาการป่วยทางจิตและโรคทางสมองอื่นๆ

ในที่สุด การทำแผนที่สมองมีเป้าหมายเพื่อให้เราเห็นภาพโครงสร้างสมองอย่างละเอียดถี่ถ้วน Google Earthแสดงภาพถ่ายดาวเทียมของดาวเคราะห์ของเราและซูมเข้าสู่ทวีป ประเทศ รัฐ เมือง ทางหลวง ถนน และอาคารต่างๆ แผนที่โครงสร้างที่สมบูรณ์ของสมองของเราอาจจะคล้ายกัน มันสามารถแสดงให้เราเห็นทั้งสมองของเรา ทุกภูมิภาค, กลีบทำงาน, ศูนย์เฉพาะ, เซลล์ประสาทหนา "มัด" ที่เชื่อมต่อส่วนต่างๆของสมอง, วงจรเซลล์ประสาท, เซลล์ประสาทเดี่ยว, รอยต่อระหว่างเซลล์ประสาทและในที่สุด, ส่วนของเซลล์ประสาท นักวิทยาศาสตร์ยังคงพัฒนาชิ้นส่วนที่อาจสร้างแผนที่ขนาดใหญ่นี้ได้

การทำแผนที่สมองคือชุดเครื่องมือต่างๆ มากมาย นักวิจัยต้องรวบรวมภาพสมอง เปลี่ยนภาพเหล่านั้นให้เป็นข้อมูล จากนั้นใช้ข้อมูลนั้นเพื่อวิเคราะห์ว่าเกิดอะไรขึ้นในสมองขณะที่มันพัฒนา

อ่านต่อไปเพื่อเรียนรู้วิธีที่นักวิจัยทำแผนที่สมอง

1. เทคโนโลยีและวิธีการสร้างแผนที่สมอง
2. การใช้ Brain Mapping
3. Brain Atlas: วิธีที่เราใช้ Brain Maps
4. แผนที่สมองที่สมบูรณ์

นักวิทยาศาสตร์ใช้วิธีการมากมายในการศึกษาโครงสร้างและหน้าที่ของสมอง พวกเขาถ่ายรูปสมองที่แข็งแรงและเปรียบเทียบกับสมองที่เป็นโรค นอกจากนี้ พวกเขายังตรวจสอบสมองที่นำมาจากมนุษย์ไพรเมตและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมขนาดเล็ก และพยายามทำความเข้าใจว่าระบบประสาทขนาดเล็กของสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังทำงานอย่างไร ในระดับจุลภาค พวกเขายังตรวจสอบเซลล์ประสาท

นี่คือเครื่องมือบางอย่างที่ใช้ในการทำแผนที่สมอง เทคนิคเหล่านี้ใช้ภาพของสมอง:

เทคนิคเหล่านี้ตรวจสอบการทำงานของสมอง:

วิธีการใหม่ช่วยให้นักวิจัยมองเห็นความเชื่อมโยงระหว่างเซลล์ประสาทในสมองที่ไม่บุบสลาย สาขาวิชานี้เรียกว่าคอนเนกโทมิกส์ "แผนภาพการเดินสายไฟ" ของสมองเรียกว่าคอนเนกโทม [ที่มา: Lichtman ] เจฟฟ์ ลิชท์แมน นักชีววิทยาจากฮาร์วาร์ด ซึ่งเป็นผู้นำกลุ่มที่พัฒนาเทคนิคใหม่บางอย่าง กล่าวว่า "ก่อนหน้านี้ เราไม่มีความหวังที่จะได้แผนภาพการเดินสายไฟเหล่านี้ "เราสามารถเห็นแต่ละเซลล์ได้ แต่จะไม่เห็นทั้งหมดพร้อมกัน"

เทคนิคหนึ่งที่เรียกว่าBrainbow กำหนดเซลล์ประสาททุกเซลล์ในสมองของสัตว์ที่มีชีวิตด้วยสีที่ต่างกัน ด้วยการสร้างภาพสมองของสัตว์ นักวิทยาศาสตร์สามารถเห็นได้ว่าเซลล์ประสาทเชื่อมต่อกันที่ไหนและอย่างไร เมื่อสัตว์โตขึ้นและมีอายุมากขึ้น พวกมันยังสามารถดูได้ว่าเซลล์ประสาทเปลี่ยนการเชื่อมต่ออย่างไร

อีกเทคนิคหนึ่งที่ใช้ATLUM,หรือเทปเก็บอัตโนมัติ ultramicrotome เครื่องนี้อ่านแผนภาพการเดินสายไฟของสมอง "เราทำอะไรบางอย่างที่คล้ายกับการปอกแอปเปิ้ล" Lichtman อธิบาย "โดยพื้นฐานแล้วเราจะตัดส่วนที่เป็นเกลียวออกเมื่อเราหมุนสมองด้วยเครื่องกลึงและใส่กระดาษทิชชู่ไว้บนเทป ในที่สุดเราจะได้เทปที่ยาวมาก ซึ่งก็คือสมองทั้งหมด โดยพื้นฐานแล้ว เราจะใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนภาพที่มองเห็นโครงสร้างของสายไฟ”

จนถึงตอนนี้ Brainbow และ ATLUM ถูกใช้เพื่อศึกษาสัตว์ที่มีสมองค่อนข้างเล็กเท่านั้น เช่น หนู

แล้วประเด็นคืออะไร? หากมีสิ่งใดการทำแผนที่สามารถทำได้ เรียนรู้สิ่งที่เราสามารถเรียนรู้ได้จากการทำแผนที่สมองมนุษย์ในหน้าถัดไป

phMRI สามารถศึกษาความเจ็บปวดได้หรือไม่?

ในการศึกษาที่ Oxford Center for Functional Magnetic Resonance Imaging of the Brain แห่งสหราชอาณาจักร นักวิจัยได้บันทึกภาพสมองของผู้ป่วยขณะที่ผิวหนังถูกไฟไหม้ และในขณะที่ผู้ป่วยได้รับยาแก้ปวดในปริมาณที่เพิ่มขึ้น ศูนย์ความเจ็บปวดในสมองของผู้ป่วยเริ่มใช้งานน้อยลงเมื่อปริมาณยาเพิ่มขึ้น การวัดผลกระทบของยาในสมองอย่างตรงไปตรงมานี้อาจใช้ในการทดสอบยาจิตเวชได้ในที่สุด [แหล่งที่มา: Matthews ]

เหตุใดนักวิทยาศาสตร์จึงต้องทำงานที่ยากลำบากในการทำแผนที่สมอง? คำตอบนั้นง่าย Lichtman กล่าว: เพื่อให้เข้าใจสมองของเราอย่างใกล้ชิดยิ่งขึ้น เราไม่เคยเห็นแผนภาพว่าเซลล์ประสาททั้งหมดในสมองเชื่อมต่อกันอย่างไร ดังที่ Jeff Lichtman กล่าวไว้ "การคิดมากของเราเกี่ยวกับสมองนั้นมาจากความรู้ที่ไม่สมบูรณ์ของสิ่งที่มีอยู่จริง เราจึงอยากจะดูว่ามีอะไรอยู่ที่นั่นจริงๆ"

แผนภาพการเดินสายไฟของสมองอาจช่วยให้เราเข้าใจวิธีที่เราเรียนรู้และปรับตัวได้ดีขึ้น Lichtman กล่าว "เราเริ่มต้นจากการปรับตัวให้เข้ากับสภาพแวดล้อมของเราได้ไม่ดีเท่าสัตว์อื่นๆ เมื่อถึงวัยผู้ใหญ่ เราสามารถใช้เครื่องมือที่มรดกทางพันธุกรรมของเราไม่อาจสอนให้ระบบประสาทของเราใช้ เช่น iPod ได้ ไม่มีอย่างอื่น สัตว์สามารถทำได้ ในระหว่างการพัฒนา เราต้องผูกมัดตัวเองเพื่อให้ [สามารถ] ใช้เครื่องจักรเหล่านี้ได้”

การทำแผนที่สมองยังเป็นประโยชน์สำหรับแพทย์อีกด้วย ศัลยแพทย์ประสาทใช้การทำแผนที่สมองเพื่อวางแผนการผ่าตัดที่ปลอดภัยยิ่งขึ้น การรักษาโรคลมชักหนึ่งครั้ง เช่น การกำจัดส่วนที่ได้รับผลกระทบของสมอง ด้วยการใช้ MRI และ EEG ที่ใช้งานได้ ศัลยแพทย์สามารถระบุตำแหน่งศูนย์กลางการชักในสมองของผู้ป่วยได้ เช่นเดียวกับบริเวณที่มีการเคลื่อนไหวในระหว่างการพูดและการเคลื่อนไหว จนถึงระดับมิลลิเมตร ภาพเหล่านี้บอกแพทย์ว่าจะทิ้งอะไรและต้องตัดอะไร

การถ่ายภาพสมองไม่ได้ใช้ในการรักษาเท่านั้น มันถูกใช้ในการวินิจฉัยโรคเกี่ยวกับระบบประสาทเช่นพาร์กินสันและอัลไซเมอร์ [แหล่งที่มา: Wilson] การใช้เทคนิคการติดแท็กเช่น PET แพทย์จะมองหาสารเคมีในสมองที่ลดลงหรืออาจใช้ MRI เพื่อตรวจสอบการหดตัวในพื้นที่ที่แสดงการสูญเสียเนื้อเยื่อ เมื่อเวลาผ่านไป แพทย์สามารถทำแผนที่ว่าสมองมีลักษณะอย่างไรเมื่อมีความคืบหน้าของโรคหรือการรักษา [ที่มา: Institute for Neurodegenerative Disorders ]

พัฒนาการผิดปกติ เช่นออทิสติกอาจมีพื้นฐานทางโครงสร้างในสมอง Lichtman ชี้ให้เห็นว่าออทิสติกเกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่อที่ไม่ถูกต้องระหว่างเซลล์ประสาท เมื่อใช้ Brainbow กับเมาส์ที่มีความหมกหมุ่น นักวิจัยอาจเห็นว่าแผนภาพการเดินสายมีวิวัฒนาการเพื่อดูว่าการเดินสายผิดพลาดอย่างไร เมื่อไหร่ และอย่างไร

นักวิทยาศาสตร์ยังได้พยายามที่จะแสดงให้เห็นถึงผลกระทบของความเจ็บป่วยทางจิตต่าง ๆ ในสมองด้วยความสำเร็จบางอย่าง การถ่ายภาพสมองของผู้ป่วยเหล่านี้เผยให้เห็นความผิดปกติของโครงสร้าง ตัวอย่างเช่น MRI เชิงโครงสร้างแสดงให้เห็นว่าผู้ป่วยจิตเภทสูญเสียสสารในคอร์เทกซ์ขมับและเยื่อหุ้มสมองส่วนหน้าเมื่อเวลาผ่านไป [ที่มา: Rapoport ] การค้นพบนี้ยังไม่ได้นำไปสู่การรักษา

Panic ความผิดปกติ , โรคสองขั้ว , ภาวะซึมเศร้าวิตกกังวลการกินผิดปกติและอื่น ๆ จะได้รับการตรวจสอบโดยใช้เทคนิคการถ่ายภาพสมองที่แตกต่างกัน แต่อย่างไรเราตีความผลการวิจัยของนักวิทยาศาสตร์? ที่สำคัญกว่านั้น เราจะเห็นพวกเขาได้ที่ไหน? ค้นหาในหน้าถัดไป

แผนที่เสียดสี สติยังงมงาย

แพทย์และนักวิทยาศาสตร์ได้เรียนรู้จากการทำแผนที่สมองมากกว่าที่บทความนี้จะกล่าวถึง นี่คือไฮไลท์สองประการ:

• ถากถาง:เราตรวจสอบถากถางใช้สมองที่เรียกว่ารอยนูนรอบฮิปโปแคมปัสที่เหมาะสม นักวิจัยค้นพบสิ่งนี้โดยใช้ MRI ที่ใช้งานได้กับผู้ป่วยที่มีอาการเสื่อมในภูมิภาคนั้นและสูญเสียความรู้สึกเสียดสีทั้งหมด [แหล่งที่มา: Hurley ]
• จิตสำนึก:จากข้อมูลของ Rodolfo Llinas จากมหาวิทยาลัยนิวยอร์ก เราสามารถแบ่งสมองออกเป็นศูนย์การซิงโครไนซ์ที่อยู่ลึกเข้าไปในสมองและลูปของเซลล์ประสาทที่ทำให้เรามีความคิดที่สูงขึ้น เรารู้สึกมีสติเมื่อจุดศูนย์กลางทำให้ลูปทำงานประสานกัน แต่ถ้าส่วนใดส่วนหนึ่งเสียหาย เราอาจสูญเสียสติบางส่วนหรือทั้งหมด Nicholas Schiff จาก Weill Medical College ของ Cornell University กล่าว สิ่งนี้อาจอธิบายได้ว่าทำไมผู้ป่วยที่ไม่มีอาการทางจิตภายนอกมานานหลายปีจึงอาจแสดงการทำงานของสมองตามปกติโดยสมบูรณ์เพื่อตอบสนองต่อเสียงที่คุ้นเคย พวกมันมีลูปที่ทำงานแยกกัน เช่น โครงข่ายประสาทเทียมที่ประมวลผลภาษา [แหล่งที่มา: Zimmer ]

Neuroinformatics วางข้อมูลทั้งหมดที่เรามีในสมองบนอินเทอร์เน็ตในรูปแบบที่ใช้งานได้ ข้อมูลดังกล่าวรวมถึงรูปภาพ แบบจำลองพฤติกรรมของเซลล์ประสาท และแผนที่ของยีนที่ "เปิดใช้งาน" ในบริเวณต่างๆ ของสมอง ด้วยการทำให้ข้อมูลสามารถแชร์และค้นหาได้ นักวิจัยสมองสามารถดึงข้อมูลจากการศึกษาของกันและกันและค้นพบเพิ่มเติมได้

วิศวกรกำลังเขียนซอฟต์แวร์เพื่อช่วยให้นักวิจัยสมองแบ่งปันและเปรียบเทียบข้อมูล ตอนนี้ซอฟต์แวร์วิเคราะห์ว่า MRI ของผู้ป่วยอัลไซเมอร์ที่มีขนาดและรูปร่างของสมองต่างกันมีคุณสมบัติของสมองที่คล้ายคลึงกันหรือไม่ ผู้ชายที่มีสถาปัตยกรรมสมองชอบที่จะเป็นโรคไบโพลาร์หรือไม่? คำถามนี้และอื่น ๆ อีกมากมาย วันหนึ่งอาจได้รับคำตอบจากโปรแกรมคอมพิวเตอร์ที่วิเคราะห์ภาพของผู้ป่วยในอดีตมากกว่าที่จะศึกษาใหม่

นี่คือตัวอย่างแผนที่สมองที่นักวิจัยสามารถหาคำตอบได้:

รูปภาพไม่ใช่แหล่งข้อมูลเพียงแหล่งเดียว ต่อไปนี้คือตัวอย่างฐานข้อมูลที่นักวิจัยสมองใช้:

ตอนนี้เราทำแผนที่สมองมนุษย์ได้แล้ว เรามาไกลแค่ไหนแล้ว? เราเสร็จยัง? เราสนิทกันหรือยัง? ค้นหาในหน้าถัดไป

หลังจากถ่ายภาพสมองของประชากรที่มีขนาดใหญ่พอที่จะสร้างสถิติได้ นักวิจัยได้จัดทำแผนที่สมองที่ซับซ้อนขึ้น มีแผนที่แสดงตำแหน่งที่เราสูญเสียปริมาตรสมองเมื่อเราอายุมากขึ้น เมื่อโรคเอดส์ดำเนินไป และเมื่อเราใช้ยาบ้า

แผนที่ที่สมบูรณ์ของสมองมนุษย์จะเป็นอย่างไร? ขึ้นอยู่กับความสนใจของคุณ หากคุณกระหายที่จะรู้โครงสร้างของสมอง คุณอาจต้องการดูเวอร์ชันสมมุติของ Google Earth ที่สามารถเริ่มต้นด้วยรูปภาพของเยื่อหุ้มสมองของเราและซูมเข้าสู่เซลล์ประสาทหมายเลข 888,898,432,857

แผนที่ที่สมบูรณ์ของ Google Earth นี้หยุดชะงักในหลายจุด จุดหนึ่งคือการถ่ายภาพเซลล์ประสาทในสมองของมนุษย์ทั้งหมดและการเชื่อมต่อของพวกมัน เจฟฟ์ ลิชท์แมน นักชีววิทยาของฮาร์วาร์ดกล่าวว่า แม้แต่การรับข้อมูลนี้ในเมาส์ก็ยังต้องใช้ความพยายามอย่างมาก ในอัตราที่ATLUMและกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนกำลังทำงานอยู่ การได้รับแผนที่ของเซลล์ประสาทที่เชื่อมต่อถึงกันทั้งหมดในสมองของหนูจะใช้เวลา 200,000 สัปดาห์ Lichtman ประมาณการ ข้อมูลจะ "ใหญ่กว่าข้อมูลทั้งหมดบนอินเทอร์เน็ต ใหญ่กว่าข้อมูลทั้งหมดในห้องสมุดทั้งหมดในโลก" เขากล่าว "ในขณะนี้ ประเภทการจัดเก็บข้อมูลที่สามารถทำได้บนคอมพิวเตอร์นั้นยังไม่เพียงพอกับงาน" "สมอง" เพียงอย่างเดียวที่เรามีแผนที่ที่สมบูรณ์ของเซลล์ประสาทที่เชื่อมต่อถึงกันเป็นของC. elegans "หนอนที่ยาวมิลลิเมตรและมี300เซลล์ประสาท " Lichtman กล่าว

อีกครั้ง คำจำกัดความของแผนที่สมองที่สมบูรณ์นั้นขึ้นอยู่กับความสนใจของคุณ ตัวอย่างเช่น หากคุณเป็นนักประสาทวิทยา แผนที่ที่สมบูรณ์ของสมองอาจเป็นภาพเหลื่อมเวลาที่แสดงให้เห็นว่าโรคอารมณ์สองขั้วเกิดขึ้นในสมองตั้งแต่แรกเกิดจนถึงอาการแรกและสิ่งที่ลิเธียมทำเพื่อหยุดกระบวนการนี้

นั่นอาจไม่เพียงพอสำหรับคุณ คุณอาจต้องการทราบการทำงานของสมองทุก ๆ นิ้วสุดท้าย น่าเสียดายที่มันเป็นไปไม่ได้ เราไม่สามารถจับภาพฟังก์ชันที่เกิดขึ้นเร็วหรือช้าเกินไปได้ Charles Wilson นักประสาทวิทยากล่าว กระบวนการอื่นๆ ต้องใช้เวลาตลอดชีวิต ไม่มีการศึกษาการถ่ายภาพได้ดำเนินการตามคนจากการเกิดการตาย “ไม่มีวิธีใดที่เรารู้จักการจัดการทุกครั้งที่สนใจ ไม่มีวิธีใดที่เรารู้จักการจัดการมากไปกว่าชิ้นส่วนเล็กๆ ของมัน” วิลสันกล่าว ณ จุดนี้ Lichtman กล่าวว่าขณะนี้ยังไม่มีความพยายามที่จะรวมแผนที่เหล่านี้ทั้งหมดเข้าเป็นหนึ่งเดียว

แต่ไม่มีเหตุผลพื้นฐานว่าทำไมในที่สุดเราก็ไม่มีแผนที่เหล่านี้เลย หรือทั้งหมดเลย Wilson กล่าว "ปัญหาคือปัญหาทางเทคโนโลยีที่ใช้งานได้จริงซึ่งเอาชนะได้ เช่นเดียวกับแผนที่อื่นๆ หากคุณเริ่มต้นด้วยแผนที่คร่าวๆ ก็ยังดีกว่าไม่มีแผนที่ และคุณไม่จำเป็นต้องมีแผนที่ใหม่ คุณเพียงแค่เพิ่มข้อมูลลงในแผนที่เก่า เพื่อทำให้ละเอียดขึ้น เราจะไม่ตื่นมาวันหนึ่งมีสิ่งนี้ เราจะเพิ่มวันนี้นิดหน่อย พรุ่งนี้นิดหน่อย และเมื่อถึงจุดหนึ่ง เราจะพูดว่า 'ว้าว นี่มันเริ่มต้นแล้ว ให้ดูดีทีเดียว'"

สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับกระบวนการสร้างแผนที่สมอง โปรดดูที่หน้าถัดไป

คุณใช้มันทั้งหมด

เป็นตำนานที่เราใช้สมองเพียง 10 เปอร์เซ็นต์เท่านั้น เราใช้มันทั้งหมด ภาพสมองได้รวบรวมกิจกรรมในทุกส่วน ยิ่งไปกว่านั้น ความเสียหายที่เกิดกับพื้นที่ขนาดเล็กสามารถล้างความสามารถหลัก ๆ ได้ อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับตำนานสมอง 10 เปอร์เซ็นต์บนเว็บไซต์ของศาสตราจารย์ Eric Chudler ที่มหาวิทยาลัยวอชิงตัน

บทความที่เกี่ยวข้อง

ลิงค์ที่ยอดเยี่ยมเพิ่มเติม