Anmerkung der Redaktion: In dieser wöchentlichen Reihe untersucht LiveScience, wie Technologie die wissenschaftliche Erforschung und Entdeckung vorantreibt.
Die menschliche Erfahrung wird vom Gehirn definiert, aber viel über dieses 3-Pfund. Orgel bleibt ein Rätsel. Trotzdem haben Wissenschaftler von der Bildgebung des Gehirns bis hin zu Schnittstellen zwischen Gehirn und Computer beeindruckende Fortschritte bei der Entwicklung von Technologien gemacht, mit denen sie in den Geist blicken können.
Bildgebung des Gehirns
Derzeit können Wissenschaftler, die das Gehirn untersuchen, seine Struktur oder Funktion untersuchen. Bei der strukturellen Bildgebung machen Maschinen Schnappschüsse der großräumigen Anatomie des Gehirns, mit denen beispielsweise Tumore oder Blutgerinnsel diagnostiziert werden können. Die funktionelle Bildgebung bietet eine dynamische Ansicht des Gehirns und zeigt, welche Bereiche während des Denkens und der Wahrnehmung aktiv sind.
Strukturbildgebungstechniken umfassen CAT-Scans oder computergestützte Axialtomographie, bei der Schnitte durch das Gehirn aufgenommen werden, indem Röntgenstrahlen aus vielen verschiedenen Winkeln auf den Kopf gestrahlt werden. CAT- oder CT-Scans werden beispielsweise häufig zur Diagnose einer Hirnverletzung verwendet. Eine andere Methode, die Positronenemissionstomographie (PET), erzeugt sowohl 2D- als auch 3D-Bilder des Gehirns: Eine radioaktiv markierte Chemikalie, die in das Blut injiziert wird, sendet Gammastrahlen aus, die ein Scanner erkennt. Die Magnetresonanztomographie (MRT) bietet einen Überblick über die Gesamtstruktur des Gehirns, indem der magnetische Spin von Atomen in einem starken Magnetfeld gemessen wird.
"Es steht außer Frage, dass MRT wahrscheinlich der beste Weg ist, um das Gehirn zu sehen", sagte Dr. Mauricio Castillo, Radiologe an der Universität von North Carolina in Chapel Hill und Chefredakteur des American Journal of Neuroradiology.
Im Bereich der funktionellen Bildgebung ist der derzeitige Goldstandard die funktionelle MRT (fMRT). Diese Technik misst Änderungen des Blutflusses zu verschiedenen Gehirnbereichen als Proxy für welche Bereiche aktiv sind, wenn jemand eine Aufgabe wie das Lesen eines Wortes oder das Betrachten eines Bildes ausführt.
"Heutzutage liegt der Schwerpunkt darauf, zu versuchen, die Verkabelung des Gehirns mit der Aktivierung des Kortex zu verbinden", sagte Castillo.
Verschiedene Methoden können kombiniert werden, um die Struktur und Funktion des Gehirns zusammenzuführen. Beispielsweise können MRT- und PET-Scans gleichzeitig durchgeführt werden, und die Bilder können kombiniert werden, um die physiologische Aktivität zu zeigen, die einer anatomischen Karte des Gehirns überlagert ist. Das Endergebnis kann verwendet werden, um einem Chirurgen den Ort einer Hirnläsion mitzuteilen, damit diese entfernt werden kann, sagte Castillo.
Kürzlich wurde eine neue Technik entwickelt, um buchstäblich in das Gehirn zu sehen. CLARITY genannt (ursprünglich für Clear Lipid-ausgetauschte Acrylamid-hybridisierte Rigid Imaging / Immunfärbung / In-situ-Hybridisierungs-kompatibles Tissue-hYdrogel), kann ein (nicht lebendes) Gehirn für Licht transparent machen, während seine Struktur intakt bleibt. Die Technik wurde bereits verwendet, um die neurologische Verkabelung eines erwachsenen Mausgehirns zu visualisieren.
Gedanken entschlüsseln
Einige Wissenschaftler möchten das Gehirn bildlicher betrachten. Geben Sie Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCIs oder BMIs, Gehirn-Maschinen-Schnittstellen) ein, Geräte, die Gehirnsignale mit einem externen Gerät verbinden, z. B. einem Computer oder einer Prothese. BCIs reichen von nichtinvasiven Systemen, die aus Elektroden bestehen, die auf der Kopfhaut platziert sind, bis zu invasiveren Systemen, bei denen die Elektroden in das Gehirn selbst implantiert werden müssen.
Nichtinvasive BCIs umfassen die auf der Kopfhaut basierende Elektroenzephalographie (EEG), die die Aktivität vieler Neuronen über große Gehirnbereiche hinweg aufzeichnet. Der Vorteil von EEG-basierten Systemen besteht darin, dass sie keine Operation erfordern. Andererseits können diese Systeme nur generalisierte Gehirnaktivität erkennen, sodass der Benutzer seine Gedanken auf nur eine einzige Aufgabe konzentrieren muss.
Invasivere Systeme umfassen die Elektrokortikographie (EKG), bei der Elektroden auf die Oberfläche des Gehirns implantiert werden, um EEG-Signale vom Kortex aufzuzeichnen. Seit Wilder Penfield und Herbert Jasper in den frühen 1950er Jahren Pionierarbeit geleistet haben, wurde sie unter anderem verwendet, um Hirnregionen zu identifizieren, in denen epileptische Anfälle beginnen.
Einige BCIs verwenden Elektroden, die in die Hirnrinde implantiert sind. Obwohl diese Systeme invasiver sind, haben sie eine viel bessere Auflösung und können die von einzelnen Neuronen gesendeten Signale aufnehmen. BCIs können jetzt sogar Menschen mit Querschnittslähmung (Lähmung aller vier Gliedmaßen) ermöglichen, einen Roboterarm allein durch Gedanken zu steuern, oder es Benutzern ermöglichen, Wörter auf einem Computerbildschirm nur mit ihrem Verstand zu buchstabieren.
Trotz vieler Fortschritte bleibt viel über das Gehirn unbekannt. Um diese Lücke zu schließen, starten amerikanische Wissenschaftler ein neues Projekt zur Kartierung des menschlichen Gehirns, das Präsident Barack Obama im April angekündigt hat und das als BRAIN-Initiative (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) bezeichnet wird.
Aber Neurowissenschaftler haben ihre Arbeit für sie ausgeschnitten. "Das Gehirn ist wahrscheinlich die komplexeste Maschine im Universum", sagte Castillo. "Wir sind noch weit davon entfernt, es zu verstehen."
