10 Mind-Bending Sci-Fi-vooruitgang in Brain Science

De meeste mensen denken niet dagelijks na over neurowetenschappen. Het werk van neurowetenschappers is meestal obscuur, saai onderzoek dat ons inzicht in de hersenen en ons zenuwstelsel stap voor stap verbetert.

Toch resulteren hun experimenten soms in bevindingen die anders alleen in science fiction-romans voorkomen. Hier zijn enkele van de meer verrassende.

10 Kunstmatige herinneringen maken

Is het mogelijk om kunstmatig een volledig nepgeheugen te maken dat vrijwel niet te onderscheiden is van een echt geheugen? Ja, dat is het - als u een van de onderzoekers van UC Irvine bent.

In een onderzoek met ratten slaagden deze onderzoekers erin nieuwe, gerichte herinneringen in de hersenen van de knaagdieren te introduceren. Ze speelden een specifieke toon waarop ze de ratten wilden laten reageren, terwijl ze tegelijkertijd acetylcholine vrijgaven - een chemische stof die verantwoordelijk is voor de vorming van nieuwe herinneringen.

Het resultaat? Ratten ontwikkelden de verwachte reactie op die specifieke toon, wanneer ze de dag na het experiment werden getest. Deze nieuwe herinneringen hadden "dezelfde kenmerken" als hun natuurlijk voorkomende tegenhangers. Bovendien zijn de kunstmatige herinneringen op de lange termijn bewaard gebleven, wat bewijst dat het mogelijk is om herinneringen permanent vorm te geven onder laboratoriumomstandigheden.

De onderzoekers hopen dat deze bevindingen de weg banen voor mensen met geheugen- en leerstoornissen, mogelijk door het introduceren van nieuwe herinneringen met behulp van vergelijkbare versnelde technieken. We zijn waarschijnlijk nog een eind weg van een toekomst waarin we nieuwe kennis opdoen over de vraag, zoals de protagonisten in The Matrix- maar men kan altijd dromen.

Oh, en over dromen gesproken ...

9Dromen manipuleren

Als er één ding is dat we over dromen weten, is het dat ze uniek zijn voor elk individu. Ze zijn een product van je recente ervaringen, emoties en gedachten. Je kunt niet gewoon iemand laten dromen, wat je maar wilt.

Of kan je?

Wetenschappers van het MIT zijn erin geslaagd om dat te doen. Ze begonnen met het trainen van ratten om een ​​doolhof te runnen. De ratten kregen twee verschillende audiokeuzen om hen te helpen het doolhof te doorkruisen en traktaties te vinden. Eén toon zou de ratten vertellen dat de traktatie aan hun linkerkant was; de andere toon zei ze om rechtsaf te slaan. Ratten houden van traktaties, dus heel snel leerden ze wat de twee verschillende tonen betekenden, en reageerden ze dienovereenkomstig bij het navigeren door het doolhof. Onderzoekers hebben vervolgens de specifieke veranderingen in de hersengolven van de rat geregistreerd toen deze op de twee verschillende tonen reageerden.

Eindelijk was het tijd om te knoeien met de dromen van de ratten. Toen de ratten gingen slapen, werd hun hersenactiviteit gecontroleerd om vast te stellen dat, ja - ze droomden ervan om door het doolhof te rennen. Op dat moment probeerden de onderzoekers de dromen te beïnvloeden door de twee verschillende tonen te bespelen.

Vreemd genoeg toonden de hersenscans aan dat de ratten tijdens het dromen op dezelfde manier reageerden op de audio-aanwijzingen als wanneer ze wakker waren. Dit experiment bewijst dat dromen rechtstreeks kunnen worden gevormd door externe triggers. De onderzoekers speculeren zelfs dat het op een dag mogelijk zal zijn voor mensen om dromen op maat te hebben via dergelijke 'droomtechniek'.

8 Dromen opnemen

Wat als je je dromen wilde opnemen, zodat je ze later kon bekijken, als een film? Het blijkt dat dit uiteindelijk wel eens mogelijk is. Een onderzoek door onderzoekers in Kyoto, Japan, toonde aan dat hersenscans kunnen worden gebruikt om in real-time een vertegenwoordiging van de dromen van mensen te creëren.

Tijdens de eerste fase van hun studie sliepen mensen in een MRI-scanner terwijl hun hersenactiviteit werd geregistreerd. Ze werden vervolgens gewekt en geïnterviewd over wat ze hadden gezien tijdens het dromen. Dit werd ongeveer 200 keer gedaan voor elk van de drie studiedeelnemers.

Tijdens de tweede fase isoleerden onderzoekers de 20 meest geziene objecten en vonden ze foto's die deze voorstellen. Ze toonden deze objecten aan de deelnemers, terwijl ze de reacties van hun hersenen op hen maten om een ​​correlatie vast te stellen. Nadien voerden de onderzoekers de foto's en de bijbehorende MRI-scans in een leeralgoritme.

Uiteindelijk werden de drie deelnemers opnieuw uitgenodigd om in de MRI-scanner te slapen. Ondertussen genereerde het slimme algoritme tekenreeksen op basis van de hersenactiviteit van de slapers. De onderwerpen werden vervolgens gewekt en gevraagd naar hun dromen. Uiteindelijk was het algoritme in staat om de dromen te matchen met een nauwkeurigheid van ongeveer 60 procent.

Hoewel dit allesbehalve perfect is, is dit een eerste stap in de richting van het kunnen vastleggen van dromen. We weten al dat het mogelijk is om ruwe, maar verrassend geavanceerde films te maken die de activiteit van onze hersenen vertegenwoordigen. In het licht van deze Japanse droomstudie, kan het slechts een kwestie van tijd zijn voordat we hetzelfde kunnen doen met onze dromen.

7 hersenceltransplantaties

Kunnen hersentransplantaties worden gebruikt om de hersenfunctie te verbeteren? Om die vraag te beantwoorden, hebben wetenschappers van het University of Rochester Medical Center menselijke chimere muizen gemaakt. Dat klinkt onheilspellend, maar het betekende simpelweg dat deze muizen menselijke astrocyten kregen - een bepaald type hersencellen. De muizen werden geïnjecteerd met 100.000 van deze astrocyten terwijl ze nog aan het ontwikkelen waren.

Opmerkelijk was dat tegen de tijd dat de muizen zes maanden oud waren geworden, deze menselijke cellen de equivalente hersencellen van muizen in wezen volledig hadden vervangen. De onderzoekers onderwierpen de muizen vervolgens aan talloze tests, ontworpen om hun geheugen en leervermogen te evalueren. Deze "slimme" muizen presteerden uiteindelijk opmerkelijk beter in een breed scala van tests dan de controlegroep, en over het algemeen bleken ze sneller te leren.

Neurowetenschapper Bruce Ransom erkende de betekenis van dit onderzoek en zei: "Het is een verbluffend resultaat.Het levert het eerste onomstotelijke bewijs dat astrocyten mogelijk een van de evolutionaire drijfveren van menselijke vermogens zijn geweest. "Vreemd genoeg is dat citaat verdacht geen commentaar op de gevaren van het fokken van hyperintelligente knaagdieren.

6Waakzaamheid verbeteren

We zijn allemaal in situaties geweest die langdurige focusdenkende eindexamens vereisten, belastingaangiften indienen en Lord of the Rings marathons. We kunnen allemaal getuigen dat we uiteindelijk moe worden en ons vermogen om aandacht te besteden verliezen. Wat als er een manier was om ons meer alert te maken tijdens dit soort activiteiten?

Er is, en alles wat nodig is, is je hersenen te zappen met een gecontroleerde elektrische stroom. Een onderzoek onderwierp de deelnemers aan een aantal alertheidstests. Sommige deelnemers ontvingen niet-invasieve hersenstimulatie, in de vorm van "prefrontale transcraniële gelijkstroomstimulatie" (tDCS). Anderen ontvingen een schijnbehandeling. Uiteindelijk waren mensen die tDCS ontvingen meer gefocust en ondersteunden ze hun alertheid gedurende langere perioden.

De studie bewijst dat gerichte stimulatie effectief kan worden toegepast om de vaak onaangesproken bronnen van de hersenen beter te benutten; mensen kunnen waakzamer worden gemaakt. Onderzoekers suggereren dat deze methode geschikt is om de afname in prestaties van werknemers die lange perioden van aanhoudende aandacht vereisen tegen te gaan.

5 Ons betere leugenaars maken

Niet alle tDCS wordt voorgoed gebruikt. Sommige toepassingen van niet-invasieve hersenstimulatie kunnen gericht zijn op een minder ethisch streven: ons helpen om overtuigender te zijn.

Een studie instrueerde 44 vrijwilligers om als dieven in een rollenspel te spelen. Deelnemers moesten doen alsof ze geld stelen en werden vervolgens ondervraagd over hun misdaden. Deze ondervraging werd uitgevoerd via de "Guilty Knowledge Test," een variant van de polygraaftest.

Door tDCS te gebruiken om de functie van de voorste prefrontale cortex, het deel van de hersenen dat verantwoordelijk is voor misleiding, te remmen, waren wetenschappers in staat om opmerkelijke verbeteringen in het ligvermogen van proefpersonen te veroorzaken. Mensen die hersenstimulatie ontvingen waren sneller in het bedenken van leugens, maar niet sneller wanneer ze eerlijk antwoordden. Wellicht nog interessanter was dat deze deelnemers zich ook minder schuldig lieten voelen over liegen dan de controlegroep.

Dit geeft aan dat het mogelijk is om iemands vermogen om te liegen naar believen te verbeteren, mocht dat nodig zijn. Denk aan de vele professionals die baat kunnen hebben bij dit soort verbeterd liegen: spionnen, undercoveragenten, soldaten die gevangen worden genomen en politici die campagne voeren.

4Brain-boost muziek

Het is vrij goed bekend dat muziek een meetbaar effect heeft op onze stemming en onze perceptie van de wereld. Je kunt je waarschijnlijk gemakkelijk een tijd herinneren waarin een bijzonder triest nummer je melancholiek maakte, of, omgekeerd, een vrolijke track die je deed lachen en dansen.

Het blijkt dat niet alleen onze emoties baat hebben bij een dosis goede muziek. Onze cognitieve vaardigheden kunnen ook worden beïnvloed door naar specifieke partituren te luisteren. Onderzoek door Northumbria University in het Verenigd Koninkrijk liet mensen een test uitvoeren die de mentale concentratie afmeten. Deelnemers moesten uitkijken naar een groen vierkant dat op een computerscherm zou verschijnen en op spatie drukken terwijl het dit deed, terwijl andere kleuren en vormen werden genegeerd.

Sommige deelnemers deden dit in stilte; anderen luisterden naar verschillende bewegingen van Vivaldi's De vier seizoenen concerti. Het meer positieve "Lente" -concert resulteerde in de beste gemiddelde responstijd van 393,8 milliseconden; de langzame "herfst" verhoogde de reactietijd van mensen tot 413,3 milliseconden, vergeleken met de 408,1 milliseconden voor degenen die helemaal geen muziek luisterden.

Een andere studie toonde aan dat muziek mensen kan helpen herinneren aan autobiografische herinneringen na een 'verworven hersenletsel'. Het lijkt er dus op dat zorgvuldig gekozen muziek een cruciale rol kan spelen bij het vergroten van de cognitieve vaardigheden, aandacht en geheugen van mensen.

3Prosthetic Brain

Inmiddels is de wetenschap ver genoeg gevorderd om manieren te vinden om de meeste delen van ons lichaam te vervangen. We hebben prothetische armen, prothetische benen en lijken op de rand te staan ​​van het maken van functionerende prothetische ogen. De hersenen zijn echter veel complexer dan een ledemaat. Het maken van een hersenprothese is verre van een eenvoudige taak en we zijn nog ver verwijderd van het volledig functioneel vervangen van de hersenen. Desalniettemin maken we aanzienlijke vorderingen op dat vlak, met een zogenaamde "neurale prothese" waarvan is aangetoond dat deze de hersenfunctie herstelt na traumatisch hoofdletsel.

In een proof-of-concept-onderzoek sneden wetenschappers de communicatie af tussen gebieden van het brein van een rat, waarbij een traumatisch hersenletsel werd gesimuleerd. De 16 ratten van de studie verloren bijna alle functies in hun voorpoten. Sommigen bleven onbehandeld; anderen kregen een apparaat dat willekeurig verschillende hersengebieden stimuleerde. Een derde groep ratten werd uitgerust met de neurale prothese, die een brug creëerde tussen de twee niet-verbonden gebieden van de hersenen.

De resultaten waren overtuigend. Na twee weken herwon de neurale prothesegroep de hersenfunctie in die mate dat "hun bewegingen niet te onderscheiden waren van hun gedrag vóór hun hersenletsel." De geïmplanteerde interface tussen hersenapparaat en hersenweefsel zorgde er in principe voor dat de twee niet-verbonden gebieden van de hersenen naar behoren konden communiceren opnieuw met elkaar. Onderzoekers hopen dat deze studie leidt tot de creatie van een vergelijkbare prothese voor de behandeling van hersenletsel en beroerte bij mensen. Gecombineerd raken dit soort verwondingen - alleen al in de VS - bijna drie miljoen mensen.

2Hacking Brains om toegang te krijgen tot gevoelige gegevens

Iedereen weet dat onze digitale apparaten gevoelig zijn voor hackeraanvallen.Technisch onderlegde mensen hebben relatief eenvoudig toegang tot uw creditcardgegevens en pincodes, vooral als de meeste van uw wachtwoorden letterlijk 'wachtwoord' zijn. De beste manier om gevoelige gegevens privé te houden, is het veilig op te slaan in het onherstelbare fort dat uw hersenen zijn . Op die manier kan niemand mogelijk toegang krijgen tot de informatie, toch?

Niet helemaal. Tijdens de USENIX Security Conference 2012 hebben onderzoekers aangetoond hoe informatie eenvoudiger kan worden geëxtraheerd met behulp van eenvoudige, standaardapparatuur. Voor hun demonstratie gebruikten ze een relatief goedkope, gemakkelijk verkrijgbare brain-computer interface (BCI) en hun eigen mind-reading programma. Deelnemers werden geanalyseerd zonder expliciet te worden verteld dat hun hersenen in dit proces zouden worden "gehackt".

Door het lezen van de elektro-encefalografie (EEG) signalen geproduceerd door de hersenen van de proefpersonen, konden onderzoekers bewijzen dat toegang tot persoonlijke informatie-PIN-codes, creditcardgegevens, enzovoort, meetbaar gemakkelijker gemaakt kan worden via BCI-apparaten van consumentenkwaliteit. Hoewel het niet volledig transparant maken van dergelijke informatie is "de entropie van de privéinformatie gemiddeld met ongeveer 15 tot 40 procent afgenomen in vergelijking met willekeurige gokaanvallen" bij gebruik van BCI.

1Mind Controle

Hoe nieuwsgierig de bovenstaande studies ook zijn, misschien komt geen van hen zo dicht bij het rijk van de science fiction als mind control - een van de meest onderzochte 'what ifs' in veel films en boeken. Hoewel de ware beheersing van de geest niet echt aan de horizon staat, hebben een paar recente onderzoeken een aantal opmerkelijke resultaten opgeleverd.

In een studie van de Harvard Medical School waren mensen in staat om bewegingen van de staart van een rat rechtstreeks te beheersen met alleen gedachten. Menselijke proefpersonen werden uitgerust met een BCI-apparaat dat hun gedachten omzet in computeropdrachten. De ratten waren op hun beurt uitgerust met een computer-naar-brein-interface die gefocuseerde echografie gebruikte om hun hersenen te stimuleren.

Dientengevolge ontstond er een brein-tot-hersenverbinding tussen de mens en de rat, waardoor de mens op afstand de rattenstaarten op afstand kon bedienen. De studie had een verbluffende succespercentage van 94 procent, over zes verschillende mensen en zes verschillende ratten. Met name de gevestigde brein-tot-hersenverbinding was volledig niet-invasief en vereiste geen complexe chirurgische ingrepen.

Als je denkt dat dat indrukwekkend is, wacht dan tot we je vertellen over een recente studie aan de Universiteit van Washington. Deze studie gebruikte vergelijkbare communicatie tussen hersenen en hersenen, met één opmerkelijk verschil: beide onderwerpen waren menselijk.

Twee onderzoekers waren gevestigd in verschillende delen van de campus van de universiteit. Eén droeg een pet die zijn gedachten omzet in elektrische signalen, terwijl zijn collega er een droeg die zijn hersenen toestond om magnetische signalen te ontvangen. De eerste onderzoeker moest een computerspel spelen waarbij hij een kanon op verschillende doelen afvuurde. De vangst? Hij moest dit doen zonder zijn handen te gebruiken. In plaats daarvan moest hij zich voorstellen het kanon in zijn geest af te vuren, waardoor zijn collega de juiste toetsdruk op het juiste moment deed.

De studie was een succes. Terwijl onderzoekers snel benadrukken dat dit experiment vrij eenvoudig van opzet is, geloven ze dat het een eerste voorzichtige stap is naar uitgebreidere applicaties. In de loop van de jaren zien we mogelijk tal van sociale toepassingen voor een dergelijke directe beheersing van de geest. Deze kunnen alles omvatten, van het laten communiceren van mensen met een handicap tot het op afstand helpen van iemand om een ​​vliegtuig te landen.

Voor nu, dat is speculatie. Toch een ding is zeker: Neuroscience is een steeds spannender onderzoeksgebied dat zeker nog meer futuristische ontwikkelingen voor ons in petto heeft.