I neuroni nel cervello umano mentre trasferiscono informazioni tra loro. Vuoi una mappa di questo? Potrebbe volerci un po'. Guarda altre immagini del cervello. ©iStockphoto.com/Kiyoshi Takahase Secondo Il cervello umano è un nodo di 100 miliardi di neuroni e cellule di supporto. Possiamo immagazzinare una vita di ricordi lì. Possiamo usarlo per scrivere sonetti e costruire aeroplani. Sicuro, il cervello di un elefante è più grande, pesa di più, e ha più neuroni, ma anche gli elefanti mancano delle nostre capacità. Incuriosito? Gli scienziati lo sono sicuramente. Questo è uno dei motivi per cui stanno mappando il cervello umano, un progetto sostanziale che potrebbe richiedere decenni per essere completato.
La mappatura del cervello tenta di mettere in relazione la struttura del cervello con la sua funzione, o trovare quali parti ci danno determinate abilità. Per esempio, quale aspetto del nostro cervello ci permette di essere creativi o logici? Questo è chiamato localizzazione della funzione .
Nella mappatura delle funzioni cerebrali, gli scienziati usano l'imaging per osservare il cervello che lavora su vari compiti. Carlo Wilson, un neurobiologo dell'Università del Texas a San Antonio, spiega la localizzazione della funzione in questo modo:
C'è una parte del cervello che ha a che fare principalmente con la vista e altre parti che hanno a che fare principalmente con il suono. Ora, possiamo guardare nella sezione visione e dire, C'è una parte speciale del cervello che rileva gli oggetti rossi e un'altra che rileva gli oggetti verdi? Oppure la stessa area rileva oggetti di entrambi i colori?La mappatura del cervello guarda anche dall'esterno verso l'interno. Esamina come il nostro ambiente cambia la struttura del nostro cervello studiando, ad esempio, come il cervello cambia fisicamente attraverso i processi di apprendimento e invecchiamento. La mappatura del cervello esamina anche ciò che va storto fisicamente nel cervello durante le malattie mentali e altre malattie del cervello.
Finalmente, la mappatura del cervello mira a darci un quadro completo della struttura del nostro cervello. Google Earth ci mostra le immagini satellitari del nostro pianeta e ingrandisce i continenti, Paesi, stati, città, autostrade, strade ed edifici. Una mappa strutturale completa del nostro cervello potrebbe essere simile. Potrebbe mostrarci tutto il nostro cervello; tutte le regioni, lobi funzionali, centri specializzati, spessi "fasci" di neuroni che collegano parti del cervello, circuiti neuronali, singoli neuroni, giunzioni tra i neuroni e, infine, parti di neuroni. Gli scienziati stanno ancora sviluppando le parti che potrebbero formare questa enorme mappa.
La mappatura del cervello è una raccolta di molti strumenti diversi. I ricercatori devono raccogliere immagini del cervello, trasforma quelle immagini in dati, e quindi utilizzare quei dati per analizzare ciò che accade nel cervello mentre si sviluppa.
Continua a leggere per scoprire come i ricercatori mappano il cervello.
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Abbiamo fatto molta strada da questo. Mark Strozier/©istockphoto.com Gli scienziati utilizzano molti metodi per studiare la struttura e la funzione del cervello. Scattano foto di cervelli sani e le confrontano con cervelli malati. Inoltre, esaminano cervelli prelevati da esseri umani, primati e piccoli mammiferi e cercare di capire come funzionano i sistemi nervosi più piccoli degli invertebrati. A livello microscopico, esaminano anche i neuroni.
Ecco alcuni strumenti utilizzati nella mappatura del cervello. Queste tecniche prendono immagini del cervello:
Queste tecniche esaminano l'attività cerebrale:
Nuovi metodi consentono ai ricercatori di vedere tutte le connessioni tra i neuroni in un cervello intatto. Questo ramo di studio si chiama connettomica. Lo "schema elettrico" di un cervello è chiamato a connettoma [fonte:Lichtman]. "Fino a poco tempo fa, non abbiamo avuto speranza di ottenere questi schemi elettrici, "dice Jeff Lichtman, un biologo di Harvard che ha guidato il gruppo che ha sviluppato alcune delle nuove tecniche. "Potremmo vedere singole cellule, ma mai tutti insieme."
Brainbow ha etichettato i neuroni in questo cervello di topo transgenico con circa 90 diverse combinazioni di colori. Stringer/Getty Images/AFP Una tale tecnica, conosciuto come Brainbow , etichetta ogni neurone nel cervello di un animale vivo con un colore diverso. Generando immagini del cervello dell'animale, gli scienziati possono vedere dove e come i neuroni si connettono tra loro. Man mano che l'animale cresce e invecchia, possono anche osservare come i neuroni cambiano le connessioni.
Un'altra tecnica utilizza il ATLUM, o tornio automatico a raccolta nastro ultramicrotomo . Questa macchina legge lo schema elettrico di un cervello. "Facciamo qualcosa di simile a sbucciare una mela, "Spiega Lichtman. "Essenzialmente eliminiamo un taglio a spirale mentre ruotiamo il cervello su un tornio e mettiamo questo nastro di tessuto su un nastro. Alla fine avremo un nastro estremamente lungo, che è essenzialmente l'intero cervello. Utilizzando un microscopio elettronico, lo immagineremo per vedere la struttura del cablaggio."
Finora, Brainbow e ATLUM vengono utilizzati solo per studiare animali con cervelli relativamente piccoli, come i topi.
Così, qual e il punto? Che cosa, se qualcosa, può la mappatura realizzare? Scopri cosa possiamo imparare dalla mappatura del cervello umano nella pagina successiva.
Una phMRI può studiare il dolore?In uno studio presso l'Oxford Centre for Functional Magnetic Resonance Imaging of the Brain, in Gran Bretagna, i ricercatori hanno registrato immagini del cervello dei pazienti mentre la loro pelle veniva bruciata e quando i pazienti ricevevano dosi crescenti di antidolorifico. I centri del dolore nel cervello dei pazienti sono diventati meno attivi all'aumentare delle dosi del farmaco. Questa semplice misura dell'effetto di un farmaco nel cervello può eventualmente essere utilizzata per testare farmaci psichiatrici [fonte:Matthews].
Perché gli scienziati dovrebbero assumersi l'arduo compito di mappare il cervello? La risposta è semplice, dice Lichtman:per capire più intimamente il nostro cervello. Non abbiamo mai visto un diagramma di come tutti i neuroni del cervello si connettono. Come dice Jeff Lichtman, "Gran parte del nostro pensiero sul cervello si basa su una conoscenza incompleta di ciò che è effettivamente lì. Quindi vorremmo vedere cosa c'è realmente".
Lo schema elettrico del cervello può aiutarci a capire meglio come impariamo e ci adattiamo, dice Lichtman. "Cominciamo ad essere meno ben adattati al nostro ambiente rispetto a qualsiasi altro animale. Quando diventiamo adulti, possiamo usare strumenti che il nostro patrimonio genetico non avrebbe potuto insegnare al nostro sistema nervoso a usare, come gli iPod. Nessun altro animale può farlo. Durante il nostro sviluppo, dobbiamo collegarci per [essere in grado] di usare queste macchine."
La mappatura del cervello è anche di utilità pratica per i medici. I neurochirurghi utilizzano la mappatura del cervello per pianificare interventi chirurgici più sicuri. Un trattamento per l'epilessia, Per esempio, rimuove la parte interessata del cervello. Utilizzando la risonanza magnetica funzionale e l'EEG, i chirurghi possono localizzare il centro delle crisi nel cervello di un paziente, così come le aree attive durante il parlare e il movimento, fino al millimetro. Queste immagini dicono ai medici cosa lasciare e cosa tagliare.
L'imaging cerebrale non viene utilizzato solo nel trattamento. È usato per diagnosticare malattie neurodegenerative come il Parkinson e l'Alzheimer [fonte:Wilson]. Utilizzando tecniche di etichettatura come il PET, i medici cercano gocce in alcune sostanze chimiche del cervello, oppure possono usare la risonanza magnetica per esaminare i restringimenti nelle aree che mostrano la perdita di tessuto. Col tempo, i medici possono mappare l'aspetto del cervello mentre le malattie progrediscono o mentre i trattamenti funzionano [fonte:Institute for Neurodegenerative Disorders].
I disturbi dello sviluppo come l'autismo possono avere una base strutturale nel cervello. Lichtman sottolinea che si pensa che l'autismo coinvolga una serie di connessioni errate tra i neuroni. Applicando Brainbow a un topo con autismo, i ricercatori potrebbero vedere lo schema elettrico evolversi per scoprire come, quando e se il cablaggio va storto.
Gli scienziati hanno anche cercato di illustrare gli effetti di varie malattie mentali nel cervello, con un certo successo. L'imaging cerebrale su questi pazienti ha rivelato anomalie strutturali. Per esempio, La risonanza magnetica strutturale ha dimostrato che i pazienti schizofrenici perdono materia nel temporale e Corteccia Prefrontale nel tempo [Fonte:Rapoport]. Questi risultati devono ancora portare a trattamenti.
Attacchi di panico, disordine bipolare, depressione, ansia, i disturbi alimentari e altri vengono esaminati utilizzando diverse tecniche di imaging cerebrale, ma come interpretiamo le scoperte degli scienziati? Ma ancora più importante, dove possiamo vederli? Scopri nella pagina successiva.
Sarcasmo mappato. La coscienza è ancora sfuggente.Medici e scienziati hanno imparato più dalla mappatura del cervello di quanto questo articolo possa coprire. Ecco due punti salienti:
Il co-fondatore di Microsoft, Paul G. Allen, annuncia il completamento dell'Allen Brain Atlas a Capitol Hill nel settembre 2006. Il progetto studia l'espressione dei geni nel cervello dei topi. Mark Wilson/Getty Images Notizie La neuroinformatica mette tutti i dati che abbiamo sul cervello su Internet in forma utilizzabile. I dati includono immagini, modelli di comportamento neuronale e mappe dei geni che vengono "accesi" in diverse regioni del cervello. Rendendo i dati condivisibili e ricercabili, i ricercatori sul cervello possono sfruttare gli studi degli altri e scoprire di più.
Gli ingegneri stanno scrivendo software per aiutare i ricercatori sul cervello a condividere e confrontare i dati. Il software ora analizza, ad esempio, se le risonanze magnetiche dei pazienti di Alzheimer con diverse dimensioni e forme del cervello hanno caratteristiche cerebrali simili. Gli uomini con una certa architettura cerebrale sono predisposti al disturbo bipolare? Questa domanda, e molti altri, potrebbe un giorno rispondere a programmi per computer che analizzino nuovamente le immagini di pazienti passati piuttosto che studiarne di nuovi.
Ecco alcuni esempi di atlanti cerebrali che i ricercatori possono estrarre per ottenere risposte:
Le immagini non sono l'unica fonte di informazioni. Ecco alcuni esempi di database utilizzati dai ricercatori sul cervello:
Ora che possiamo mappare il cervello umano, a che punto siamo arrivati? Abbiamo già finito? Siamo anche vicini? Scopri nella pagina successiva.
Una donna esamina una mostra a Dresda, Germania, mostra i processi neurobiologici del cervello umano. Potremmo alla fine mappare emozioni come la felicità? Norbert Millauer/DDP Dopo aver eseguito l'imaging del cervello di popolazioni abbastanza grandi da generare statistiche, i ricercatori hanno realizzato sofisticate mappe cerebrali. Ci sono mappe per illustrare dove perdiamo volume cerebrale con l'avanzare dell'età, con l'avanzare dell'AIDS e con l'uso delle metanfetamine.
Come sarebbe una mappa completa del cervello umano? Dipende dai tuoi interessi. Se hai sete di conoscere la struttura del cervello, potresti voler vedere quell'ipotetica versione di Google Earth che può iniziare con un'immagine della nostra corteccia e ingrandire il neurone numero 888, 898, 432, 857.
questo completo, Il tipo di mappa di Google Earth è bloccato in molti punti. Uno di questi è l'imaging di tutti i neuroni del cervello umano e delle loro connessioni. Anche ottenere questi dati nel mouse è meticoloso, dice il biologo di Harvard Jeff Lichtman. Al ritmo del ATLUM e un microscopio elettronico ora funziona, ottenere una mappa di tutti i neuroni interconnessi nel cervello del topo richiederebbe 200, 000 settimane, Stime di Lichtman. I dati sarebbero "più grandi di tutti i dati su Internet - più grandi di tutti i dati in tutte le biblioteche del mondo, "dice. "Al momento, il tipo di archiviazione possibile sui computer non è all'altezza del compito." L'unico "cervello" per il quale abbiamo una mappa completa dei neuroni interconnessi appartiene a C. elegans , "un verme lungo un millimetro e con 300 cellule nervose, "dice Lichtman.
Ancora, la tua definizione di una mappa cerebrale completa dipende dai tuoi interessi. Se sei un neuropsichiatra, Per esempio, una mappa completa del cervello potrebbe essere un'immagine time-lapse che mostra come il disturbo bipolare si sviluppa nel cervello dalla nascita al primo sintomo e cosa fa il litio per fermare il processo.
Potrebbe non essere abbastanza per te. Potresti voler conoscere la funzione del cervello fino all'ultimo centimetro. Sfortunatamente, è impossibile. Non possiamo acquisire funzioni che si verificano troppo rapidamente o troppo lentamente, dice il neurobiologo Charles Wilson. Altri processi richiedono una vita. Nessuno studio di imaging ha seguito qualcuno dalla nascita alla morte. "Nessun metodo che conosciamo per le maniglie ogni volta che ci interessa. Nessun metodo che conosciamo per le maniglie più di un piccolo pezzo di esso, " dice Wilson. A questo punto, Lichtman afferma che al momento non è in corso alcuno sforzo per integrare tutte queste mappe in una.
Ma non c'è una ragione fondamentale per cui alla fine non possiamo avere nessuna o tutte queste mappe, dice Wilson. "I problemi sono tutti problemi tecnologici pratici che possono essere superati. Come con qualsiasi mappa, se inizi con una mappa grezza, è meglio di nessuna mappa. E non hai bisogno di una nuova mappa. Basta aggiungere informazioni alla vecchia mappa per renderla più raffinata. Non ci sveglieremo un giorno e avremo questo. Oggi ne aggiungiamo un po', un po' domani, e ad un certo punto, stiamo per dire, 'Oh, questo sta iniziando a sembrare abbastanza buono.'"
Per ulteriori informazioni sul processo di mappatura del cervello, dai un'occhiata alla pagina successiva.
Lo usi tuttoÈ un mito che usiamo solo il 10 percento del nostro cervello. Usiamo tutto. Le immagini del cervello hanno documentato collettivamente l'attività in tutte le parti. Cosa c'è di più, il danno a una piccola area può spazzare via le abilità principali. Leggi di più sul mito del cervello del 10% sul sito web del professor Eric Chudler all'Università di Washington.
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