Fast im Gehirn 100 Milliarden Neuronen gleichzeitig feuern 20 Billionen Synapsen Signale jede Sekunde - vergleichbar mit a 1 Billion Bit pro Sekunde Prozessor . Jedes Neuron verzweigt sich und verbindet sich mit anderen Zellen, die sich manchmal nach oben bilden. 10.000 Verbindungen . Jede Synapse repräsentiert auch einen anderen Aspekt des Lebens - sei es ein Geruch, ein Gefühl, ein Geräusch, ein Anblick oder etwas anderes. Zusammen bestimmen sie jede Handlung, jeden Gedanken und jede Erinnerung im Geist. Insgesamt kommt sie als Bewusstsein zusammen.
Aber was wäre, wenn wir die Aktivität in unserem Gehirn bearbeiten könnten? Die Neurowissenschaftler von UC Berkeley arbeiten an der Technologie, die eines Tages die langlebige Science-Fiction zur Programmierung des menschlichen Gehirns Wirklichkeit werden lässt. Derzeit entwickelt das Team eineTechnik mit holographischen Laserprojektionen, um Daten direkt in ein Gehirn zu projizieren - und sie hat sich bereits als erfolgreich erwiesen.
In einem kürzlich erschienenen Artikel namens P multimodale optische Steuerung der Aktivität des neuronalen Ensembles , ein Team von Wissenschaftlern der UC Berkeley, entwickelte ein holographisches System, das künstlich Gehirnaktivität erzeugen kann. Das System wurde verwendet, um verschiedene Regionen im Gehirn einer Maus zu stimulieren, um ihre verschiedenen Sinne zu steuern. Das Team hofft, die Technologie eines Tages nutzen zu könnenEntwicklung einer Nervenprothese, die in der Lage ist, alle Sinne des Körpers zu reproduzieren - Hören, Schmecken, Berühren, Riechen oder Sehen.
In diesem Video die Aktivität von drei Schichten von Der somatosensorische Kortex des Gehirns einer Maus wird aufgezeichnet. Die organische Aktivität erscheint fluoreszierend grün, während die mit dem holographischen Laser aktivierten Neuronen als violetter Pfeil aufleuchten. Die Demonstration zeigt, wie die reale Gehirnaktivität stimuliert wurde, was zu falschen Empfindungen führte.
Wie es funktioniert
Obwohl das Gehirn komplexer Natur ist, stützt es sich auf einige grundlegende Prozesse, um Daten und Anweisungen zu senden, zu empfangen und zu speichern. Spezielle Zellen im Nervensystem senden und empfangen elektrochemische Signale im gesamten Körper, um über die Umgebung zu berichten. Im GehirnBestimmte Regionen sind dafür verantwortlich, jeden sensorischen Input auf die richtigen Bereiche zu verteilen. In diesen Regionen sind Wissenschaftler interessiert - die Fähigkeit, solche Regionen zu kontrollieren, würde es Wissenschaftlern ermöglichen, jeden der fünf Grundsinne zu programmieren.
Um die Kontrolle über Teile der Gehirnaktivität zu erlangen, ist eine Millisekundengenauigkeit in einem dreidimensionalen Raum erforderlich, um Neuronen anzuvisieren und zu stimulieren. Dies ist eine schwierige Aufgabe und muss so ausgeführt werden, dass künstliche Gehirnaktivität entsteht. Nicht nurDie einzelnen Neuronen müssen individuell verfolgt, gezielt und stimuliert werden, aber sie müssen auch auf eine Weise stimuliert werden, die die organische Gehirnaktivität nachahmt.
Obwohl scheinbar unmögliche Präzision erforderlich ist, sind einige der Wissenschaftler für die jüngsten Fortschritte in der Gehirnbearbeitungstechnologie verantwortlich. veröffentlichte ein Papier Ende 2017 wird eine neue Technologie vorgestellt, mit der mehrere Neuronen in einem dreidimensionalen Stück Hirngewebe gleichzeitig stimuliert und gesteuert werden können. Ende April 2018 hat das Team veröffentlichte ein zusätzliches Papier das gegenüber dem vorherigen Design verbessert wurde. Jetzt kann das Team die Gehirnaktivität in Echtzeit stimulieren, unterdrücken und aufzeichnen.
Der holographische Projektor für die Gehirnbearbeitung
Neuronen reagieren an sich nicht in Gegenwart von Licht. Ein System, das einzelne Neuronen mit Licht anvisieren und verfolgen kann, ist ordentlich, aber völlig nutzlos, wenn versucht wird, Gehirnaktivität zu induzieren.
Um diese Einschränkung zu umgehen, haben Wissenschaftler lichtempfindliche mikrobielle Opsine an eine Region von Neuronen nahe der Oberfläche eines Gehirns gebunden.
Im Wesentlichen handelt es sich bei den Opsinen um Proteine, die in Gegenwart von Licht reagieren. Wenn sie von einem Lichtblitz getroffen werden, wenn sie an ein Neuron gebunden sind, verursacht dies vorübergehend einen lokalisierten Anstieg der Gehirnaktivität. Die künstliche Stimulation scheint jedoch die Aktivität von zu beeinflussenandere Neuronen in der Umgebung.
Frühere Technologien mit photostimulierenden Opsinen wurden typischerweise in zwei Dimensionen betrieben. Die Techniken waren nicht nur in ihrer Reichweite begrenzt, sondern auch ziemlich ungenau. Frühere holographische Projektionstechniken würden dazu führen, dass Opsine unbeabsichtigt mehrere Neuronen gleichzeitig stimulieren. Die Ergebnisse warenfaszinierend, aber nicht genau genug, um nützliche Gehirnaktivität zu induzieren.
In diesem Bild zeigen Diagramme die bisherige Optogenetik Verwendung von Licht zur Stimulierung von lebendem Gewebe. Links werden mit Opsin verschachtelte Rezeptoren mit verschiedenen Lichtquellen aktiviert, um unterschiedliche Reaktionen zu stimulieren. In der Mitte ein Virus, das ein Opsin-Gen enthältDas Virus produziert und liefert das Opsin an das Gehirn. Ganz rechts ist eine Maus mit einer Lichtquelle im Kopf dargestellt. Durch dieses kleine Fenster wird Licht in das Gehirn geleitet, damit es manipuliert werden kann.
Jetzt hat das Wissenschaftlerteam der UC Berkeley in seiner jüngsten Arbeit einen völlig neuen Ansatz entwickelt, der ein neues Protein beinhaltet, das Neuronen individuell stimulieren kann. Ihr neues holographisches System ermöglicht es ihnen auch, einzelne Neuronen in einem dünnen, aber immer noch dreifachen zu steuern.dimensionale Region des Gehirns.
Die Technologie ist nicht ganz neu, aber sie ist eine erfolgreiche Kombination einer Reihe anderer Arbeiten, die zusammengeführt wurden, um eines der genauesten gehirnstimulierenden Geräte zu schaffen, mit denen die Gehirnaktivität genau bearbeitet werden kann.
Mit dem an einer Maus befestigten Gerät könnte der Wissenschaftler ein ähnliches Muster wie ein organischer sensorischer Reiz reproduzieren.
Laut Berkeley , „Die Forscher haben den Prototyp bereits im Berührungs-, Seh- und Motorbereich des Gehirns von Mäusen getestet, wenn diese mit immobilisierten Köpfen auf einem Laufband laufen. Dabei haben sie keine Verhaltensänderungen bei den Mäusen festgestellt, wenn sich ihr Gehirn befindetstimuliert, sagte Mardinly, dass ihre Gehirnaktivität - die in Echtzeit mit Zwei-Photonen-Bildgebung der Calciumspiegel in den Neuronen gemessen wird - Muster zeigt, die einer Reaktion auf einen sensorischen Reiz ähnlich sind. “
Die Manipulation der Zellen erfordert ein Computersystem, um zu bestimmen, wo sich jedes der Tausenden von mit Proteinen bedeckten Neuronen befindet. Für einen kurzen Moment wird eine Reihe von Neuronen mit einem holographischen Laser gezielt und getroffen. Mit dieser Technik konnten sie präzise arbeitenBis zu 50 Neuronen gleichzeitig in einer kleinen Region der Hirnsubstanz, die mehrere tausend andere Neuronen enthält, „foto-stimulieren“. Die Aufgabe wird dann 300 Mal pro Sekunde wiederholt, während bei jedem Durchgang ein neuer Satz von 50 Neuronen stimuliert wird.
Ein genauerer Blick auf Hologramme - und das Gehirn
Das Fokussieren des Lichts auf eine Zelle, die kleiner als die Breite eines menschlichen Haares ist, erfordert absolute Präzision - Präzision, die nur mit einem holographischen Bild erzielt werden kann.
Beim holographischen Projektor werden zwei Laserstrahlen so gebogen und fokussiert, dass ein dreidimensionales räumliches Muster entsteht. In der Praxis erscheinen die Hologramme so, als wären sie ein im Raum schwebendes 3D-Bild.
Im Fall der jüngsten Fortschritte in der Gehirnbearbeitungstechnologie wurde das holographische Bildmuster verwendet, um eine dünne Schicht Hirngewebe an der Oberfläche des Kortex mit einer Dicke von etwa einem Zehntel Millimeter zu beleuchten. Es wurden einzelne scheibenförmige Lichtkugeln erzeugtdurch den holographischen Projektor werden präzise auf die mit Opsin bedeckten Zellen projiziert.
In diesem Bild wird die Gehirnaktivität mit dem holographischen Lasergerät aufgezeichnet.
„Der größte Fortschritt ist die Fähigkeit, Neuronen räumlich und zeitlich präzise zu steuern“, sagte Postdoc Nicolas Pégard, Autor des Papiers, der sowohl in Adesniks Labor als auch im Labor der Co-Autorin Laura Waller arbeitetSchießen Sie die sehr spezifischen Sätze von Neuronen, die Sie aktivieren möchten, und tun Sie dies auf der charakteristischen Skala und der Geschwindigkeit, mit der sie normalerweise arbeiten. “
Was Brain Editing für Menschen tun kann
Das derzeitige Ziel besteht darin, die Gehirnaktivität in Echtzeit zu lesen. Anschließend könnte ein System anhand der gemessenen Gehirnaktivität bestimmen, welche Neuronensätze aktiviert werden müssen, um eine tatsächliche Gehirnreaktion zu replizieren. Die Forscher hoffen, die Kapazität von zu erhöhenAktivieren von jeweils nur ein paar Dutzend Neuronen bis zur Aktivierung von beeindruckenden einigen Tausend Neuronen gleichzeitig. Bei Erfolg kann das Team möglicherweise verlorene Empfindungen an den Menschen zurückgeben. Alle Sinne können dann neu programmiert und mit einem holographischen Projektionsgerät aktiv repliziert werden- eine, von der Wissenschaftler hoffen, dass sie in einen Rucksack passt.
Bisher hilft die Forschung Wissenschaftlern dabei, die Aktivität eines Gehirns in Echtzeit abzubilden. Vielleicht noch wichtiger ist jedoch, dass die Forschung die inneren Mechanismen hinter der Sprache des Geistes aufdeckt. Sie hoffen, dass ihre Forschung bei der Entwicklung neuronaler Erkrankungen helfen wirdProthetik - effektiv ein Gehirnimplantat, das künstlich mit dem Gehirn kommunizieren und es mithilfe seines holographischen Geräts unterstützen kann.
„Dies ist einer der ersten Schritte auf einem langen Weg zur Entwicklung einer Technologie, bei der es sich um ein virtuelles Gehirnimplantat mit zusätzlichen oder erweiterten Sinnen handeln kann.“
„Dies hat ein großes Potenzial für Nervenprothesen, da es die Präzision aufweist, die das Gehirn benötigt, um das Aktivierungsmuster zu interpretieren. Wenn Sie die Sprache des Gehirns lesen und schreiben können, können Sie mit ihr in ihrer eigenen Sprache und mit ihr sprechenkann die Botschaft viel besser interpretieren “, sagte Alan Mardinly, Postdoktorand im UC Berkeley-Labor von Hillel Adesnik.
„Dies ist einer der ersten Schritte auf einem langen Weg zur Entwicklung einer Technologie, bei der es sich um ein virtuelles Gehirnimplantat mit zusätzlichen oder erweiterten Sinnen handeln kann.“
Ihre Forschung umfasst den erfolgreichen Einsatz ihrer Technologie zur Stimulierung falscher Empfindungen in den Regionen des Gehirns, die das Sehen steuern. Während die Maus auf die Eingabe reagierte, schien sie ihre kognitiven Fähigkeiten nicht zu verändern, obwohl dies ein Schwerpunkt sein wirdanstehende Forschung.
Bis jetzt sind die Feinheiten des menschlichen Geistes noch zu komplex, als dass ein solches Gerät das Gehirn ersetzen oder sogar unterstützen könnte. Obwohl es nicht für Versuche am Menschen bereit ist, bleibt die Technologie, die genau dahinter steckt, wie die Forscher ein Gehirn programmiert haben, faszinierend.
Das zukünftige Potenzial der Gehirnbearbeitung
Die Kommunikation mit dem Gehirn mit Gehirnwellen wird die Art und Weise, wie Menschen leben, völlig verändern. Alte Erinnerungen, die durch die Zeit verloren gegangen sind, könnten wiedererlebt werden, als wäre es buchstäblich gestern gewesenUnterstützung des Gehirns bei der täglichen Funktion. Die Fähigkeit, ein Gehirn zu programmieren, bietet auch die Möglichkeit, Erinnerungen vollständig zu entfernen.
Gehirnbearbeitung mit Hologrammen ist bereits eine echte Sache. Natürlich müssen Wissenschaftler die Technologie noch intensiv erforschen, bevor Versuche am Menschen genehmigt werden - vorausgesetzt, die Öffentlichkeit ist bereit, solch tiefgreifende Forschung als moralisch und gerecht zu akzeptieren.
Via : UC Berkeley