8 Minutės
Naujas neinvasinis smegenų stimuliacijos metodas — transkranijinė fokusinė ultragarso stimuliacija — ruošiasi pakeisti mokslininkų tyrimų būdą sprendžiant vieną seniausių mokslo mįslių: kaip smegenų fizinė veikla sukuria sąmoningą patirtį. MIT ir bendradarbiaujančių institucijų tyrėjai paskelbė praktinį gairių planą, kaip šią technologiją naudoti pereinant nuo koreliacijos prie priežastinio ryšio sąmonės tyrimuose, atverdami galimybes išbandyti konkuruojančias teorijas ir tirti gilias smegenų sritis, anksčiau pasiekiamas tik operacijų metu.
Kodėl fokusinis ultragarso poveikis svarbus: naujas svertas gyvoms smegenims
Sąmonės tyrimai tradiciškai rėmėsi stebėjimo priemonėmis: MRT smegenų struktūrai žemėlapiuoti, EEG elektriniams ritmams matuoti ir elgesio eksperimentais suvokimui bei sąmoningumui daryti išvadas. Šios metodikos gerai aprašo, kurios smegenų sritys aktyvėja atliekant užduotį, tačiau palieka neatliktą esminį mokslinį klausimą: kurie neuroniniai procesai tiesiogiai generuoja sąmoningą patirtį, o kurie jai tik seka?
Transkranijinė fokusinė ultragarso stimuliacija (tFUS) siūlo kitokį požiūrį. Siunčiant preciziškai fokusuotą akustinę energiją per kaukolę, tFUS gali moduliuoti neuronus regione, kuris siekia vos kelis milimetrus, ir pasiekti požievines struktūras, esančias kelis centimetrus giliai po oda. Skirtingai nuo invazinės elektrinės stimuliacijos, šis metodas nereikalauja operacijos ir gali pasiekti gilesnius smegenų taikinius erdviniu tikslumu, kuris konkuruoja — o kartais net lenkia — kitas neinvasines technologijas, tokias kaip transkranijinė magnetinė stimuliacija (TMS) ar transkranijinė elektrinė stimuliacija (tES).
Tokia galimybė tiesiogiai koreguoti aktyvumą suteikia mokslininkams priežastinį instrumentą: pakeiskite aktyvumą apibrėžtoje srityje ir stebėkite, ar pasikeičia suvokimas, skausmas ar mintys. Jei nukreipta manipuliacija keičia sąmoningą patirtį, ta sritis greičiausiai yra tos patirties generatorius arba būtina jos dalis, o ne tik atsitiktinis stebėtojas.
Nuo teorinių diskusijų prie testuojamų eksperimentų
Vienas tiesioginių mokslinių tFUS privalumų — gebėjimas patikrinti konkuruojančias sąmonės teorijas. Apibendrintai kalbant, dabartinėje diskusijoje vyrauja dvi stovyklos. „Kognityvistinis" požiūris teigia, kad sąmoninga patirtis reikalauja aukštesnio lygio procesų — integracijos per išskleistus smegenų tinklus, ypač frontalines sritis, kurios atsakingos už samprotavimą, dėmesį ir savirefleksiją. Prieštaraujančios „nekognityvistinės" perspektyvos teigia, kad tam tikri, galbūt lokalizuoti neuroniniai modeliai yra pakankami konkrečioms patirtims: rega, skausmas ar paprastos jutiminės pojūčiai gali kilti iš užpakalinio smegenų žievės ar gilesnių subkortikalinių grandinių veiklos, neįtraukiant plataus frontalinių sričių tinklo.
tFUS eksperimentai gali būti suprojektuoti taip, kad spręstų šias idėjas. Pavyzdžiui, tyrėjai gali naudoti fokusuotus impulsus trumpai sutrikdyti prefrontalinę žievę, kol savanoriai stebi vizualinius stimulus. Jei sąmoningas suvokimas dingsta arba keičiasi, tai patvirtintų mintį, kad frontaliniai tinklai yra būtini. Jei suvokimas išlieka nepaisant frontalinių trikdžių, bet yra jautrus stimuliacijai užpakalinėse arba subkortikalinėse vietose, tai palaikytų lokalizuotesnį tam tikrų patirčių kilmės modelį.
Tyrėjai taip pat gali tirti „sujungimo problemą“: kaip skirtingi sensoriniai signalai iš atskirų smegenų sričių susilieja į vieningą sąmoningą sceną. Selektiškai didinant arba mažinant aktyvumą atskiruose regos sistemos mazguose ir matuojant subjektyviai pranešimus („Ar pamatėte blyksnį? Ar jis buvo ryškus ar blankus?“), mokslininkai gali patikrinti, kaip išskleistos tinklų sinchronizacijos rezultatas sukuria vieningą suvokimą.
Planuojami eksperimentai ir praktiniai aspektai
MIT komandos ir partnerių institucijos pereina nuo teorijos prie praktikos. Ankstyvieji eksperimentai bus orientuoti į regos žievę, kurioje stimulo sąlygos ir subjektyvūs pranešimai gali būti griežtai kontroliuojami. Vizualinės užduotys suteikia prieinamą langą į suvokimą: tyrėjai gali pateikti šviesos blyksnius, keisti kontrastą ar laiką ir koreliuoti šiuos pokyčius su subjektyviais pranešimais bei tuo pačiu metu fiksuojamais EEG įrašais.
Vėlesni tyrimai plečiasi į aukštesnio lygio frontalines sritis ir į subkortikalinius taikinius, susijusius su emocijomis ir skausmu. Skausmas yra ypač įdomus bandymų atvejis: mes dažnai atsitraukiame nuo karšto paviršiaus dar prieš tai, kai sąmoningas skausmo jausmas visiškai užfiksuojamas. Kurios grandinės sukuria sąmoningą pojūtį? Ar tai yra žievinės sritys, gilesni smegenų branduoliai, ar jų derinys? tFUS gali pakeisti kandidatų regionų aktyvumą ir parodyti, ar pokyčiai keičia žmonių pranešimus apie skausmo intensyvumą arba kokybę.
Tokių eksperimentų projektavimas reikalauja kruopščių saugumo ir matavimo protokolų. tFUS parametrus — intensyvumą, impulsų modelį, fokusavimo vietą — reikia kalibruoti taip, kad moduliuotų aktyvumą be audinių pažeidimo ar perkaitimo. Kombinuoti įrašai, pavyzdžiui EEG ar funkcinis MRT, padės tyrėjams išskaityti tinklo lygmens efektus ir užtikrinti, kad stebimi elgesio pokyčiai atspindėtų neuroninę moduliaciją, o ne nespecifinius veiksnius, tokius kaip klausos ar somatosensorinis sujaudinimas.
„Šis įrankis leidžia stimuliuoti skirtingas smegenų dalis sveikuose dalyviuose taip, kaip anksčiau nebuvo įmanoma,“ sako vienas iš gairių rengimo tyrėjų. "Tai naudinga ne tik medicinai ar fundamentaliems mokslams, bet ir gali padėti nagrinėti sunkųjį sąmonės klausimą, nustatant grandines, kurios generuoja pojūčius ir mintis."
Mokslinis pagrindas: kaip akustinė energija veikia neuronus
Fokusuotas ultragarso poveikis sąveikauja su smegenų audiniu per mechaninius ir galbūt terminius mechanizmus. Mažo intensyvumo impulsai sukelia mechaninius poslinkius ir mikromasto slėgio pokyčius, kurie gali pakeisti neuronų membranų savybes ir sinapsių funkciją. Tinkamai kontroliuojamomis intensyvumo ribomis šie efektai moduliuoja iššaukimo dažnius ir tinklo dinamiką be nuolatinio pažeidimo.
Kadangi akustiniai spinduliai gali būti nukreipiami ir fokusuojami, tyrėjai gali taikyti sritis, esančias po žieve — pavyzdžiui, talaminius branduolius, bazinius ganglijus ar vidurio linijos struktūras, kurios buvo sunkiai pasiekiamos neinvasiniu būdu. Taikymo tikslumas priklauso nuo kaukolės anatomijos ir ultragarso dažnio; modernios sistemos naudoja vaizdavimo gaires ir kaukolės perdavimo skaičiavimo modelius, kad optimizuotų fokusą.
Palyginimai su kitais smegenų stimuliavimo įrankiais
- TMS ir tES: dažnoje praktikoje ribojasi žievės paviršiaus regionais ir sukuria platesnius, mažiau fokusuotus laukus.
- Giluminė smegenų stimuliacija (DBS): labai specifinė, bet invazinė — reikalauja elektrodų implantacijos chirurginiu būdu.
- tFUS: tiltas tarp neinvasinio patogumo ir gilaus, fokusuoto pasiekiamumo — potencialiai leidžiantis kontroliuojamus eksperimentus sveikuose savanoriuose.
Pasekmės: ką galėtume sužinoti — ir kodėl tai svarbu
Sąmonės mokslo centre yra skirtumas tarp grandinių, kurios tik koreliuoja su sąmoningumu, ir tų, kurios yra būtinos jį sukurti. Nustatyti būtinybę yra svarbu tiek fundamentaliam mokslui, tiek medicinai. Jei tam tikros subkortikalinės tinklinės struktūros vaidina didesnį vaidmenį skausmo ar emocinių kokybinių potyrių formavime nei šiuo metu manyta, tai gali pakeisti gydymo strategijas lėtiniam skausmui, PTSS ar depresijai. Neinvasinė tokių vietų moduliacija gali vieną dieną papildyti arba pakeisti invazines intervencijas.
Iš teorinės perspektyvos priežastiniai eksperimentai galėtų sugriežtinti arba paneigti konkuruojančias teorijas. Jei frontalinių mazgų trikdymas nuosekliai panaikina tam tikrus sąmoningus turinius, integruotos informacijos ar globalios darbo vietos (global workspace) teorijos, kurios remiasi plėsto žievės integracija, įgis empirinių įrodymų. Jei vietoje to būtinos pasirodys lokalizuotos užpakalinės ar gilesnės struktūros, teorikams teks peržiūrėti prielaidas apie sąmonės kilmę.
Už teorijos ribų tFUS taip pat gali pagreitinti atradimus kognityvinėje neuromokslų srityje. Galimybė pasiekti gilus mazgus su dideliu erdviniu specifiškumu leistų tyrinėti atminties grandines, emocijų reguliavimo centrus ir atlygio kelius kontroliuojamais, grįžtamais būdais. Tai galėtų paspartinti atradimų vertimą į klinikines intervencijas.
Eksperto įžvalgos
„Transkranijinės fokusinės ultragarso stimuliacijos pažadas yra tas, kad ji suteikia mums grįžtamą svertą testuoti hipotezes, kurios dešimtmečiais buvo spekuliatyvios,“ sako dr. Elena Vargas, fikcinė, bet realistinė kognityvinė neurolokė ir neurotechnologijų tyrėja. „Įsivaizduokite, kad laikinai sumažinate talaminio branduolio aktyvumą ir stebite, kaip subjekto vizualinė sąmonė keičiasi realiu laiku. Tokie priežastiniai duomenys yra būtini, jei norime pereiti nuo žemėlapių prie mechanistinių paaiškinimų.“
Dr. Vargas įspėja, kad rezultatai nebus dvejopi. „Sąmonė yra netvarkinga — greičiausiai ji statyta iš atsargumo bei persidengiančių sistemų. tFUS atskleis gradientus ir tarpusavio sąveikas, o ne paprastus įjungimo/išjungimo jungiklius. Vis dėlto kiekviena kontroliuojama perturbacija susiaurina gyvą teorijų lauką.“
Susijusios technologijos ir ateities perspektyvos
tFUS nepakeis esamų vaizdavimo ir stimuliacijos metodų; greičiau papildys juos. Kombinuoti protokolai, derinant fokusuotą ultragarso stimuliaciją su EEG, MEG ar fMRI, gali susieti lokalizuotas perturbacijas su tinklų reakcijomis, siūlydami daugiamačio vaizdo apie smegenų skaičiavimus. Tobulėjant kaukolės perdavimo modeliavimo metodams ir naudojant uždaro ciklo (closed-loop) stimuliaciją — kur nerviniai duomenys realiu laiku reguliuoja stimuliaciją — intervencijos gali tapti tikslesnės ir adaptuojamės.
Reguliavimo ir etikos mechanizmai taip pat turės žengti koja kojon. Neinvasinis prieinamumas prie gilių smegenų sričių kelia svarbius klausimus apie sutikimą, moduliacijos ribas ir galimą kognityvinį stiprinimą. Atsakinga tyrimų praktika, skaidrumas ir kruopštus saugos stebėjimas bus būtini, plečiant žmogaus tyrimus.
Gairių autorių akcentas — tai ankstyvos stadijos įrankis su dideliu potencialu ir valdomomis rizikomis: žemo intensyvumo protokolai, kruopštus tiriamųjų atrankos procesas ir postūmiai eksperimentai gali nuvesti prie patikimų išvadų be priešlaikinių klinikinių teiginių.
Galiausiai transkranijinės fokusinės ultragarso stimuliacijos atsiradimas sąmonės tyrimuose žymi perėjimą nuo stebėjimo prie intervencijos. Reguliuojant smegenų regionų aktyvumą ir stebint, kurios sąmoningos patirtys keičiasi, mokslininkai gali pradėti atskirti sąmonės priežastis nuo jos pasekmių — būtinas žingsnis, jei kada nors norėsime suprasti, kaip subjektyvi patirtis kyla iš biologijos.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą