"Wir können jetzt im wirklichen Leben das Gehirn belauschen", sagte Josef Parvizi, der leitende Autor der Studie.
Eine Gehirnregion, die aktiviert wird, wenn Menschen gebeten werden, mathematische Berechnungen in einer experimentellen Umgebung durchzuführen, wird auf ähnliche Weise aktiviert, wenn sie Zahlen - oder sogar ungenaue quantitative Ausdrücke wie „mehr als“ - im alltäglichen Gespräch verwenden, wie eine Studie der Stanford University School of Medizinwissenschaftler.
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Mit einer neuartigen Methode haben die Forscher die ersten soliden Beweise dafür gesammelt, dass das Muster der Gehirnaktivität, das bei einer Person beobachtet wird, die eine mathematische Übung unter experimentell kontrollierten Bedingungen durchführt, dem sehr ähnlich ist, das beobachtet wird, wenn sich die Person im Laufe des täglichen Lebens mit quantitativem Denken beschäftigt.
"Wir sind jetzt in der Lage, das Gehirn im wirklichen Leben zu belauschen", sagte Dr. Josef Parvizi, außerordentlicher Professor für Neurologie und neurologische Wissenschaften und Direktor von Stanfords Human Intracranial Cognitive Electrophysiology Program. Parvizi ist der leitende Autor der Studie, die am 15 Naturkommunikation. Die Hauptautoren der Studie sind der Postdoktorand Mohammad Dastjerdi, MD, PhD, und der Doktorand Muge Ozker.
Der Befund könnte zu „Gedankenlesen“ -Anwendungen führen, mit denen beispielsweise ein Patient, der durch einen Schlag stumm geschaltet wird, über passives Denken kommunizieren kann.Möglicherweise kann dies auch zu dystopischeren Ergebnissen führen: Chip-Implantate, die die Gedanken von Menschen ausspionieren oder sogar kontrollieren.
"Das ist aufregend und ein bisschen beängstigend", sagte Henry Greely, JD, Deane F. und Kate Edelman Johnson, Professorin für Recht und Vorsitzende des Lenkungsausschusses des Stanford Center for Biomedical Ethics, die keine Rolle in der Studie spielte, aber vertraut ist mit seinem Inhalt und beschrieb sich als "sehr beeindruckt" von den Ergebnissen. "Es zeigt zum einen, dass wir sehen können, wann jemand mit Zahlen umgeht, und zum anderen, dass wir möglicherweise eines Tages in der Lage sind, das Gehirn zu manipulieren, um den Umgang mit Zahlen zu beeinflussen."
Die Forscher überwachten die elektrische Aktivität in einer Region des Gehirns, die als intraparietaler Sulkus bekannt ist und für die Aufmerksamkeit sowie die Augen- und Handbewegung von Bedeutung ist. Frühere Studien haben gezeigt, dass einige Nervenzellencluster in diesem Bereich auch an der Numerosität beteiligt sind, dem mathematischen Äquivalent der Alphabetisierung.
In früheren Studien verwendete Techniken wie die funktionelle Magnetresonanztomographie sind jedoch nur eingeschränkt in der Lage, die Gehirnaktivität in realen Umgebungen zu untersuchen und das genaue Timing der Zündmuster von Nervenzellen zu bestimmen. Diese Studien konzentrierten sich auf die Prüfung nur einer bestimmten Funktion in einer bestimmten Gehirnregion und versuchten, jeden möglichen Störfaktor zu eliminieren oder auf andere Weise zu berücksichtigen. Außerdem müssten die Versuchspersonen mehr oder weniger bewegungslos in einer dunklen, röhrenförmigen Kammer liegen, deren Stille von ständigen, lauten, mechanischen Knallgeräuschen unterbrochen wird, während Bilder auf einem Computerbildschirm aufblitzen.
"Das ist kein wirkliches Leben", sagte Parvizi. „Sie sind nicht in Ihrem Zimmer, trinken eine Tasse Tee und erleben spontan die Ereignisse des Lebens.“ Eine äußerst wichtige Frage lautete: „Wie hat eine Population von Nervenzellen, die sich experimentell als wichtig für eine bestimmte Person erwiesen hat? Funktionsarbeit im wirklichen Leben? "
Die Methode seines Teams, die so genannte intrakranielle Aufzeichnung, lieferte exquisite anatomische und zeitliche Präzision und ermöglichte den Wissenschaftlern die Überwachung der Gehirnaktivität, wenn Menschen in reale Situationen eingetaucht waren. Parvizi und seine Mitarbeiter untersuchten das Gehirn von drei Freiwilligen, die auf eine mögliche chirurgische Behandlung ihrer wiederkehrenden, arzneimittelresistenten epileptischen Anfälle untersucht wurden.
Das Verfahren umfasst das vorübergehende Entfernen eines Teils des Schädels eines Patienten und das Positionieren von Elektrodenpaketen auf der freiliegenden Gehirnoberfläche. Bis zu einer Woche bleiben die Patienten an das Überwachungsgerät angeschlossen, während die Elektroden elektrische Aktivität im Gehirn aufnehmen. Diese Überwachung wird für den gesamten Krankenhausaufenthalt des Patienten ununterbrochen fortgesetzt. Sie erfasst die unvermeidlichen wiederholten Anfälle und ermöglicht es den Neurologen, die genaue Stelle im Gehirn jedes Patienten zu bestimmen, an der die Anfälle ihren Ursprung haben.
Während dieser ganzen Zeit bleiben die Patienten an das Überwachungsgerät gebunden und meistens auf ihre Betten beschränkt. Abgesehen von den typischen Eingriffen in ein Krankenhaus sind sie jedoch angenehm, schmerzfrei und können frei essen, trinken, nachdenken, mit Freunden und der Familie persönlich oder am Telefon sprechen oder Videos ansehen.
Die in die Köpfe der Patienten implantierten Elektroden sind wie Abhörgeräte, die jeweils eine Population von mehreren hunderttausend Nervenzellen abhören und an einen Computer zurückmelden.
In der Studie wurden die Aktionen der Teilnehmer während ihres gesamten Aufenthalts auch von Videokameras überwacht. Dies ermöglichte es den Forschern später, die freiwilligen Aktivitäten der Patienten in einem realen Umfeld mit dem Verhalten der Nervenzellen in der überwachten Gehirnregion zu korrelieren.
Im Rahmen der Studie beantworteten die Freiwilligen nacheinander die auf einem Laptopbildschirm aufgetauchten richtigen / falschen Fragen. Einige Fragen erforderten eine Berechnung - ist es beispielsweise wahr oder falsch, dass 2 + 4 = 5 ist? - während andere fragten, was Wissenschaftler als episodisches Gedächtnis bezeichnen - wahr oder falsch: Ich habe heute Morgen beim Frühstück Kaffee getrunken. In anderen Fällen wurden die Patienten lediglich aufgefordert, auf das Fadenkreuz in der Mitte eines ansonsten leeren Bildschirms zu starren, um den sogenannten „Ruhezustand“ des Gehirns zu erfassen.
In Übereinstimmung mit anderen Studien stellte das Team von Parvizi fest, dass die elektrische Aktivität in einer bestimmten Gruppe von Nervenzellen im intraparietalen Sulcus anstieg, wenn und nur wenn Freiwillige Berechnungen durchführten.
Anschließend analysierten Parvizi und seine Kollegen die tägliche Elektrodenaufzeichnung jedes Freiwilligen, identifizierten viele Spitzen der intraparietalen Sulkusaktivität, die außerhalb der experimentellen Einstellungen auftraten, und wandten sich dem aufgezeichneten Videomaterial zu, um genau zu sehen, was der Freiwillige getan hatte, als solche Spitzen auftraten.
Sie stellten fest, dass, wenn ein Patient eine Zahl - oder sogar einen quantitativen Bezug wie „einige mehr“, „viele“ oder „größer als die andere“ - erwähnte, eine Zunahme der elektrischen Aktivität in derselben Nervenzellenpopulation von auftrat der intraparietale Sulcus, der aktiviert wurde, als der Patient Berechnungen unter experimentellen Bedingungen durchführte.
Das war ein unerwarteter Befund. "Wir haben festgestellt, dass diese Region nicht nur aktiviert wird, wenn Zahlen gelesen oder darüber nachgedacht werden, sondern auch, wenn Patienten sich schärfer auf Mengen beziehen", sagte Parvizi.
"Diese Nervenzellen feuern nicht chaotisch", sagte er. "Sie sind sehr spezialisiert und nur dann aktiv, wenn das Thema beginnt, über Zahlen nachzudenken. Wenn sich das Thema erinnert, lacht oder spricht, werden sie nicht aktiviert. “Somit konnte anhand der elektronischen Aufzeichnung der Gehirnaktivität der Teilnehmer einfach festgestellt werden, ob sie unter nicht experimentellen Bedingungen an quantitativen Gedanken beteiligt waren.
Ängste vor einer bevorstehenden Gedankenkontrolle seien zumindest verfrüht, sagte Greely. "Praktisch ist es nicht die einfachste Sache der Welt, Elektroden in das Gehirn von Menschen zu implantieren. Es wird nicht morgen oder einfach oder heimlich geschehen. “
Parvizi stimmte zu. "Damit sind wir noch in den Anfängen", sagte er. "Wenn dies ein Baseballspiel ist, sind wir noch nicht einmal im ersten Inning. Wir haben gerade eine Eintrittskarte für das Stadion bekommen. “
Die Studie wurde von den National Institutes of Health (Grant R01NS0783961), dem Stanford NeuroVentures-Programm und der Familie Gwen und Gordon Bell finanziert. Weitere Mitautoren waren der promovierte Postdoktorand Brett Foster und die wissenschaftliche Mitarbeiterin Vinitha Rangarajan.
Informationen zur Abteilung für Neurologie und Neurologische Wissenschaften von Stanford Medicine, die diese Arbeit ebenfalls unterstützte, finden Sie unter https://neurology.stanford.edu/.
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