Nota dell'editore: In questa serie settimanale, LiveScience esplora come la tecnologia guida l'esplorazione e la scoperta scientifica.
L'esperienza umana è definita dal cervello, ma molto su questo 3-lb. l'organo rimane un mistero. Anche così, dall'imaging del cervello alle interfacce cervello-computer, gli scienziati hanno fatto passi da gigante nello sviluppo di tecnologie per scrutare all'interno della mente.
Imaging del cervello
Attualmente, gli scienziati che studiano il cervello possono guardare alla sua struttura o alla sua funzione. Nell'imaging strutturale, le macchine acquisiscono istantanee dell'anatomia su larga scala del cervello che possono essere utilizzate per diagnosticare tumori o coaguli di sangue, ad esempio. L'imaging funzionale offre una visione dinamica del cervello, mostrando quali aree sono attive durante il pensiero e la percezione.
Le tecniche di imaging strutturale comprendono scansioni CAT o tomografia assiale computerizzata, che acquisisce immagini di sezioni attraverso il cervello irradiando raggi X alla testa da molti angoli diversi. Le scansioni CAT o CT vengono spesso utilizzate per diagnosticare una lesione cerebrale, ad esempio. Un altro metodo, la tomografia ad emissione di positroni (PET), genera immagini del cervello sia 2D che 3D: una sostanza chimica marcata radioattivamente iniettata nel sangue emette raggi gamma rilevati da uno scanner. E la risonanza magnetica (MRI) fornisce una visione della struttura generale del cervello misurando la rotazione magnetica degli atomi all'interno di un forte campo magnetico.
"Non c'è dubbio che la risonanza magnetica sia probabilmente il modo migliore per vedere il cervello", ha affermato il dott. Mauricio Castillo, radiologo dell'Università della Carolina del Nord a Chapel Hill e caporedattore dell'American Journal of Neuroradiology.
Nel regno dell'imaging funzionale, l'attuale gold standard è la risonanza magnetica funzionale (fMRI). Questa tecnica misura i cambiamenti nel flusso sanguigno verso diverse aree del cervello come proxy per le quali le aree sono attive quando qualcuno esegue un'attività come leggere una parola o visualizzare un'immagine.
"L'enfasi oggi è cercare di fondere il modo in cui il cervello è collegato con l'attivazione della corteccia", ha detto Castillo.
Diversi metodi possono essere combinati per unire la struttura e la funzione del cervello. Ad esempio, la scansione MRI e PET può essere eseguita contemporaneamente e le immagini possono essere combinate per mostrare l'attività fisiologica sovrapposta su una mappa anatomica del cervello. Il risultato finale può essere usato per dire a un chirurgo la posizione di una lesione cerebrale in modo che possa essere rimossa, ha detto Castillo.
Recentemente, è stata sviluppata una nuova tecnica per vedere letteralmente dentro il cervello. Chiamato CLARITY (originariamente per Clear Rigid-scambi di lipidi ibridato con acrilamide ibrido Imaging / Immunostaining / In situ compatibile con ibridazione Tissue-hYdrogel), può rendere un cervello (non vivente) trasparente alla luce mantenendo intatta la sua struttura. La tecnica è già stata utilizzata per visualizzare il cablaggio neurologico di un cervello di topo adulto.
Pensieri di decodifica
Alcuni scienziati vogliono vedere all'interno del cervello in modo più figurato. Inserisci interfacce cervello-computer (BCI o BMI, interfacce cervello-macchina), dispositivi che collegano i segnali cerebrali a un dispositivo esterno, come un computer o un arto protesico. I BCI vanno dai sistemi non invasivi costituiti da elettrodi posizionati sul cuoio capelluto, a quelli più invasivi che richiedono l'impianto degli elettrodi nel cervello stesso.
I BCI non invasivi comprendono l'elettroencefalografia (EEG) basata sul cuoio capelluto, che registra l'attività di molti neuroni su vaste aree cerebrali. Il vantaggio dei sistemi basati su EEG è che non richiedono un intervento chirurgico. D'altra parte, questi sistemi possono rilevare solo l'attività cerebrale generalizzata, quindi l'utente deve concentrare i propri pensieri su un solo compito.
I sistemi più invasivi includono l'elettrocorticografia (ECoG), in cui vengono impiantati elettrodi sulla superficie del cervello per registrare i segnali EEG dalla corteccia. Da quando Wilder Penfield e Herbert Jasper sono stati i pionieri della tecnica nei primi anni '50, è stato usato, tra gli altri scopi, per identificare le regioni del cervello in cui iniziano le crisi epilettiche.
Alcuni BCI usano elettrodi impiantati nella corteccia cerebrale. Sebbene questi sistemi siano più invasivi, hanno una risoluzione molto migliore e possono captare i segnali inviati dai singoli neuroni. I BCI ora possono persino consentire agli esseri umani con paraplegia (paralisi di tutti e quattro gli arti) di controllare un braccio robotico attraverso il solo pensiero, o consentire agli utenti di pronunciare parole sullo schermo di un computer usando solo la propria mente.
Nonostante molti progressi, molto rimane sconosciuto sul cervello. Per colmare questa lacuna, gli scienziati americani stanno intraprendendo un nuovo progetto per mappare il cervello umano, annunciato dal presidente Barack Obama ad aprile, chiamato l'iniziativa BRAIN (Brain Research through Advancing Neurotechnologies).
Ma i neuroscienziati hanno il loro lavoro fatto apposta per loro. "Il cervello è probabilmente la macchina più complessa nell'universo", ha detto Castillo. "Siamo ancora molto lontani dalla comprensione."
