10 Mind-Bending Sci-Fi fremskritt i hjernevitenskap

De fleste mennesker tenker ikke daglig på nevrovitenskap. Neuroscientists arbeid er vanligvis uklar, kjedelig forskning som gradvis forbedrer vår forståelse av hjernen og nervesystemet vårt.

Imidlertid resulterer eksperimenter av og til i funn som ellers bare vises i science fiction romaner. Her er noen av de mer overraskende.

10Resere kunstige minner

Er det mulig å kunstig skape et helt falskt minne som er nesten uutslettelig fra en ekte? Ja, det er - hvis du er en av forskerne ved UC Irvine.

I en studie på rotter klarte disse forskerne å introdusere nye, målrettede minner i gnagernes hjerner. De spilte en bestemt tone som de ønsket at rotterne skulle reagere, samtidig som acetylkolin frigjøres - en kjemikalie som er ansvarlig for dannelsen av nye minner.

Resultatet? Rottene utviklet forventet respons på den aktuelle tonen når de ble testet dagen etter forsøket. Disse nye minner hadde "de samme egenskapene" som deres naturlig forekommende motparter. Videre ble de kunstige minnene beholdt i det lange løp, noe som viste at det er mulig å permanent formere minner under laboratorieforhold.

Forskerne håper at disse funnene banner vei for å hjelpe mennesker med hukommelse og innlæringshemming, potensielt ved å introdusere nye minner ved hjelp av lignende akselererte teknikker. Vi er sannsynligvis fortsatt en vei fra en fremtid hvor vi får ny kunnskap på etterspørsel, som hovedpersonene i Matrisen-men man kan alltid drømme.

Åh, og snakker om drømmer ...

9Manipulerende drømmer

Hvis det er en ting vi vet om drømmer, er det at de er unike for hver enkelt person. De er et produkt av dine siste erfaringer, følelser og tanker. Du kan ikke bare få noen til å drømme uansett hva du vil.

Eller kan du?

Forskere ved MIT klarte å gjøre nettopp det. De begynte med å trene rotter for å løpe en labyrint. Rottene ble gitt to forskjellige lyd-signaler for å hjelpe dem med å navigere i labyrinten og finne godbiter. En tone ville fortelle rotter at behandlingen var til venstre for dem; Den andre tonen fortalte dem å ta til høyre. Rottene elsker godbiter, så snart de lærte hva de to forskjellige tonene betydde, og reagerte på dem tilsvarende når de navigerte på labyrinten. Forskere registrerte da de spesifikke endringene i rotens hjernebølger da de reagerte på de to forskjellige tonene.

Til slutt var det på tide å rote med rotternes drømmer. Når rotterne sovnet, ble deres hjernevirksomhet overvåket for å fastslå det, ja, de drømte om å løpe gjennom labyrinten. På det tidspunktet prøvde forskerne å påvirke drømmene ved å spille de to forskjellige tonene.

Merkelig viste hjerneskanningen at rotterne, mens de drømte, reagerte på lyd-signalene på nøyaktig samme måte som de gjorde da de var våken. Dette eksperimentet viser at drømmer kan formes direkte av eksterne triggere. Forskerne spekulerer selv om at en dag vil det være mulig for folk å ha tilpassede drømmer via en slik drømteknikk.

8Registrering av drømmer

Hva om du ønsket å registrere dine drømmer, slik at du kunne se dem senere, som en film? Det viser seg at det til slutt kan være veldig bra. En studie av forskere i Kyoto, Japan viste at hjerneskanninger kan brukes til å skape en representasjon av folks drømmer, i sanntid.

Den første fasen av studien hadde folk som sov i en MR-skanner mens hjernens aktivitet ble registrert. De ble så våknet og intervjuet om hva de hadde sett mens de drømte. Dette ble gjort rundt 200 ganger for hver av de tre studiedeltakerne.

I andre fase isolerte forskerne de 20 mest sett objekter, og fant bilder som representerte disse. De viste disse objektene til deltakerne, mens de måler hjernens svar på dem for å etablere en sammenheng. Etterpå matte forskerne bildene og de tilsvarende MR-skannene inn i en læringsalgoritme.

Til slutt ble de tre deltakerne invitert til å sove igjen i MR-skanneren igjen. I mellomtiden genererte den smarte algoritmen strenger av bilder, basert på sleepers hjernevirksomhet. Fagene ble så våknet og spurte om drømmene sine. Til slutt var algoritmen i stand til å matche drømmene med omtrent 60 prosent nøyaktighet.

Selv om det er langt fra perfekt, er dette et første skritt mot å kunne virkelig registrere drømmer. Vi vet allerede at det er mulig å lage rå, men overraskende avanserte filmer som representerer hjernens aktivitet. I lys av denne japanske drømstudien kan det bare være et spørsmål om tid før vi kan gjøre det samme med våre drømmer.

7Brain Cell Transplants

Kan hjernetransplantasjoner brukes til å forbedre hjernefunksjonen? For å svare på det spørsmålet, skapte forskere ved University of Rochester Medical Center menneskelige kimære mus. Det høres uheldig, men det innebar bare at disse musene ble gitt menneskelige astrocytter - en bestemt type hjerneceller. Musene ble injisert med 100.000 av disse astrocytene mens de fortsatt utviklet seg.

Bemerkelsesverdig, da musene ble seks måneder gamle, hadde disse menneskelige cellene i det vesentlige erstattet de ekvivalente musens hjerneceller. Forskerne utsatt musene for mange tester, designet for å evaluere deres minne og læringsevner. Disse "smarte" musene endte opp med å opptre markant bedre over et bredt spekter av tester enn kontrollgruppen, og ble generelt vist å være raskere på læring.

Neuroscientist Bruce Ransom anerkjente betydningen av denne undersøkelsen og sa: "Det er et fantastisk resultat.Det gir det første utvetydige beviset på at astrocyter kan ha vært en av evolusjonære drivere av menneskelige evner. "Merkelig er dette sitatet mistenkelig uten kommentar til farene ved å avle hyper-intelligente gnagere.

6Proving Vikilance

Vi har alle vært i situasjoner som krevde langvarige fokus-tanke avsluttende eksamener, innlevering av selvangivelser, og Ringenes Herre maraton. Vi kan alle attestere for til slutt å bli slitne og miste vår evne til å ta hensyn. Hva om det var en måte å gjøre oss mer våken under disse typer aktiviteter?

Det er, og alt det krever, er å zapping hjernen din med en kontrollert elektrisk strøm. En studie utsatte deltakerne for en rekke varslighetstester. Noen deltakere mottok ikke-invasiv hjernestimulering, i form av "prefrontal transcranial direct current stimulation" (tDCS). Andre fikk en skambehandling. Til slutt var folk som mottok tDCS mer fokusert og opprettholdt deres våkenhet over lengre perioder.

Studien viser at målrettet stimulering kan brukes effektivt for å gjøre bedre bruk av hjernens ofte uutnyttede ressurser; folk kan bli gjort mer årvåken. Forskere foreslår at denne metoden er egnet for å motbalansere nedgang i ytelsen til arbeidstakere som krever lange perioder med vedvarende oppmerksomhet.

5Gjøre oss bedre løgnere

Ikke alle tDCS brukes for godt. Noen anvendelser av ikke-invasiv hjernestimulering kan rettes mot en mindre etisk forfølgelse: å hjelpe oss å ligge mer overbevisende.

En studie instruerte 44 frivillige til rollespill som tyver. Deltakerne måtte late som å stjele penger og ble deretter forhørt om deres misdeeds. Denne forhøringen ble utført via "Guilty Knowledge Test", en variant av polygraph testen.

Ved å bruke tDCS for å hemme funksjonen til den fremre prefrontale cortexen, var den delen av hjernen som var ansvarlig for svindelforskere, i stand til å utløse bemerkelsesverdige forbedringer i testpersoners evne til å lyve. Folk som fikk hjernestimulering var raskere på å komme opp med løgn, men ikke raskere når de reiste sannferdig. Kanskje enda mer interessant, ble disse deltakerne også vist å være mindre skyldige i å lyve enn kontrollgruppen.

Dette indikerer at det kan være mulig å forbedre en persons evne til å lyve etter vilje, hvis det skulle være nødvendig. Tenk på de mange fagfolkene som kunne dra nytte av denne typen forbedret lyverevne: spionere, undercover-politiet, soldater tatt i fange og kampanje-politikere.

4Brain-Boosting Music

Det er ganske godt kjent at musikk har en målbar effekt på vårt humør og vår oppfatning av verden. Du kan sannsynligvis enkelt huske en tid da en spesielt trist sang gjorde deg melankoli, eller omvendt et optimistisk spor som gjorde at du vil smile og danse.

Det viser seg ikke bare våre følelser som kan ha nytte av en dose god musikk. Våre kognitive evner kan også påvirkes ved å lytte til bestemte musikalske poeng. Forskning ved Northumbria University i Storbritannia hadde folk som utførte en test som målt mental konsentrasjon. Deltakerne måtte se etter et grønt torg som dukker opp på en dataskjerm, og trykk på plass som det gjorde, mens du ignorerer andre farger og former.

Noen deltakere gjorde det i stillhet; andre lyttet til forskjellige bevegelser fra Vivaldi Årstidene concerti. Den mer oppsiktsvekkende "Spring" -koncerten resulterte i den beste gjennomsnittlige svartiden på 393,8 millisekunder; Den langsomme "høsten" økte folks reaksjonstid til 413,3 millisekunder, sammenlignet med 408,1 millisekunder for de som ikke lyttet til noe musikk i det hele tatt.

En annen studie viste at musikk kan hjelpe folk til å huske autobiografiske minner etter en "anskaffet hjerneskade". Så det virker som om nøye valgt musikk kan spille en sentral rolle i å øke menneskers kognitive evner, oppmerksomhet og minne.

3Prostetisk hjerne

Vitenskapen har nå kommet langt nok til å finne måter å erstatte de fleste deler av kroppen vår. Vi har proteser, prostetiske ben, og ser ut til å være på randen av å gjøre fungerende protese øyne. Men hjernen er mye mer kompleks enn et lem. Å lage en hjerneprothese er langt fra en enkel oppgave, og vi er langt fra å gjøre fullt funksjonelle hjerneskift. Likevel tar vi betydelige sprang fremover på den fronten, med en såkalt "neural protese" som har vist seg å gjenopprette hjernefunksjonen etter traumatisk hodeskade.

I en proof-of-concept studie, kuttet forskere kommunikasjon mellom områder av rottehjernen, som simulerer en traumatisk hjerneskade. Studiens 16 rotter mistet nesten alle funksjonene i forbenet. Noen ble igjen ubehandlet; andre ble gitt en enhet som tilfeldig stimulerte forskjellige områder av hjernen. En tredje gruppe rotter var utstyrt med nerveprotesen, som skapte en bro mellom de to frakoblede områdene i hjernen.

Resultatene var overbevisende. Etter to uker gjenvunnet den neurale protesegruppen hjernens funksjon i en slik grad at "deres bevegelser var skiller seg fra deres oppførsel før hjerneskaden." Det implanterte hjernemaskins-hjernegrænseflaten tillatt i utgangspunktet for de to frakoblede områder av hjernen til riktig kommuniserer med hverandre igjen. Forskere håper at denne studien fører til etableringen av en lignende protese for å behandle hjerneskade og hjerneskade i mennesker. Kombinert, disse typer skader - i USA alene - påvirker nesten tre millioner mennesker.

2Hacking Brains å få tilgang til sensitive data

Alle vet at våre digitale enheter er utsatt for hackerangrep.Tekniske kunnskaper kan få tilgang til kredittkortinformasjon og PIN-koder med relativt enkelhet, spesielt hvis de fleste passordene dine er bokstavelig talt "passord". Den beste måten å holde sensitive data private er å lagre den trygt i den unhackable festningen som er hjernen din . På den måten kan ingen muligens få tilgang til informasjonen, ikke sant?

Ikke helt. På USENIX Security Conference 2012 har forskere vist hvordan informasjonen kan gjøres lettere å trekke ut ved hjelp av enkle, hylleapparater. For deres demonstrasjon brukte de et relativt billig, lett tilgjengelig hjernedatamaskingrensesnitt (BCI) og sitt eget tankelesingsprogram. Deltakere ble analysert uten å bli uttrykkelig fortalt at deres hjerne ville bli "hacket" i prosessen.

Ved å lese elektroencefalografi (EEG) signaler produsert av fagets hjerner, kunne forskerne bevise at tilgang til private informasjonskodekoder, kredittkortdata og så videre kan gjøres målbart lettere via forbrukersklasse BCI-enheter. Selv om ikke informasjonen blir fullstendig gjennomsiktig, blir entropien av privat informasjon redusert i gjennomsnitt med ca. 15 til 40 prosent sammenlignet med tilfeldige gjetningsangrep, "når man bruker BCI.

1Minnekontroll

Like nysgjerrig som de ovennevnte studiene er, kommer kanskje ingen av dem like nær til science fiction som mind control - en av de mest utforskede "hva hvis" i mange filmer og bøker. Mens sanne tankekontroll ikke er akkurat i horisonten, har noen få nyere studier gitt noen ganske ekstraordinære resultater.

I en Harvard Medical School-studie var mennesker i stand til direkte å kontrollere bevegelser av råttens hale ved hjelp av tanker alene. Menneskelige fag ble utstyrt med en BCI-enhet som konverterte sine tanker til datakommandoer. Rottene var i sin tur utstyrt med et grensesnitt fra datamaskin til hjerne som brukte fokusert ultralyd for å stimulere hjernen deres.

Som et resultat åpnet en hjerne-til-hjerneforbindelse mellom mennesker og rotter, slik at mennesker fjerner kontrollen av rotternes haler etter vilje. Studien hadde en forbløffende 94 prosent suksessrate, på tvers av seks forskjellige mennesker og seks forskjellige rotter. Spesielt var den etablerte hjernen-til-hjernen-forbindelsen helt noninvasive, og krever ingen komplekse kirurgiske prosedyrer.

Hvis du synes det er imponerende, vent til vi forteller deg om en nylig studie ved University of Washington. Denne studien brukte lignende hjerne-til-hjerne-kommunikasjon, med en bemerkelsesverdig forskjell: Begge fagene var menneskelige.

To forskere befant seg i ulike deler av universitetets campus. En hadde en hette som konverterte tankene sine til elektriske signaler, mens hans kollega hadde en som fikk hjernen til å motta magnetiske signaler. Den første forskeren måtte spille et dataspill som fikk ham til å skyte en kanon på forskjellige mål. Fangsten? Han måtte gjøre det uten å bruke hendene. I stedet måtte han forestille seg å skyte kanonen i tankene, og dermed gjorde kollegaen sin egen nøkkel-presse på det rette tidspunktet.

Studien var en suksess. Selv om forskerne raskt fremhever at dette eksperimentet er ganske grunnleggende i oppsettet, tror de at det er et første forsiktig skritt mot mer omfattende programmer. Noen år nedover linjen kan vi se mange sosiale bruksområder for slik direkte tankekontroll. Disse kan omfatte alt fra å la personer med funksjonshemming kommunisere bedre, for å hjelpe noen til å lande et fly på en ekstern måte.

For nå er det spekulasjon. Enda en ting er sikkert: Neurovitenskap er et stadig mer spennende forskningsområde som sikkert har flere futuristiske utviklinger i butikken for oss.