7 ของการค้นพบประสาทวิทยาศาสตร์ที่น่าตื่นเต้นที่สุดในปี 2564

ปีต่อปีการค้นพบทางประสาทวิทยาศาสตร์นั้นมีทั้งที่น่าตื่นเต้นและไม่หยุดยั้ง จากห้องปฏิบัติการขนาดเล็กที่ปลูกในห้องปฏิบัติการไปจนถึงปัญญาประดิษฐ์ที่เปิดเผยความลับวิวัฒนาการของสมองมนุษย์เพลิดเพลินไปกับ 7 ของการพัฒนาที่น่าตื่นตาตื่นใจที่สุดในปี 2564

รักษาภาวะซึมเศร้าอย่างรุนแรงด้วยการกระตุ้นสมองส่วนลึกที่ปรับตัวได้

ทีมวิจัยที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียซานฟรานซิสโกประสบความสำเร็จในการพัฒนาวิธีการโดยใช้ การกระตุ้นสมองส่วนลึก (DBS) เพื่อรักษาอาการซึมเศร้าเฉพาะเมื่อปรากฏ การกระตุ้นสมองส่วนลึกเกี่ยวข้องกับการปลูกฝังขั้วไฟฟ้าภายในสมองเพื่อส่งกระแสไฟฟ้าเพื่อเปลี่ยนการทำงานของสมอง

การศึกษาก่อนหน้านี้ประสบความสำเร็จอย่าง จำกัด ในการรักษาภาวะซึมเศร้าด้วย DBS เนื่องจากอุปกรณ์สามารถส่งมอบการกระตุ้นด้วยไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องในพื้นที่หนึ่งของสมอง อย่างไรก็ตามภาวะซึมเศร้าอาจส่งผลกระทบต่อพื้นที่ต่าง ๆ ของสมองและลายเซ็นของระบบประสาทของภาวะซึมเศร้าสามารถเพิ่มขึ้นและลดลงอย่างคาดไม่ถึง

โดยมีจุดประสงค์ในการสร้างเครื่องกระตุ้นหัวใจให้กับสมองนักวิทยาศาสตร์จึงถอดรหัสชีวภาพของระบบประสาทใหม่ รูปแบบเฉพาะของการทำงานของสมองนี้ทำนายอาการของอาการได้อย่างมีประสิทธิภาพ ด้วยความรู้นี้ทีมได้ปรับแต่งเทคโนโลยี DBS ใหม่ที่เปิดใช้งานเฉพาะเมื่อใดและที่ไหนที่รับรู้รูปแบบนั้น

ประเภทของการบำบัดแบบตามความต้องการอัตโนมัตินั้นน่าประทับใจเพราะการตอบสนองการทำงานนั้นมีความพิเศษสำหรับทั้งสมองของผู้ป่วยและวงจรประสาทที่ก่อให้เกิดความเจ็บป่วย ในการทดลองครั้งแรกวิธีการ DBS ที่กำหนดเองนี้ได้รับการทดสอบกับผู้ป่วยที่ทุกข์ทรมานจากภาวะซึมเศร้าอย่างรุนแรงและผ่านด้วยสีบิน เกือบจะในทันทีอาการของผู้ป่วยได้รับการบรรเทาและสิ่งนี้ยังคงเป็นกรณีในระยะยาว

ในยุค Covid ที่ความวิตกกังวลและปัญหาสุขภาพจิตกำลังกลายเป็นมากมายวิธีการนี้สามารถพิสูจน์การบำบัดแบบปราศจากยาที่มีค่าสำหรับผู้คนหลายร้อยล้านคน

นอกเหนือจากการได้ยินของมนุษย์

เช่นเดียวกับคลื่นแสงมนุษย์สามารถรับรู้คลื่นเสียงที่ค่อนข้างเล็กของคลื่นเสียงที่เดินทางรอบตัวเรา โดยทั่วไปแล้วเราสามารถรับความถี่ระหว่าง 20 Hz และ 20,000 Hz เท่านั้นนอกเหนือจากนี้ถือว่าเป็นอัลตราโซนิก นี่คือช่วงความถี่ที่สัตว์อย่างค้างคาวทำงานและสิ่งที่ใช้ในการสแกนทางการแพทย์พิเศษ

วิธีการใหม่ที่ใช้เทคโนโลยีที่มีความซับซ้อนได้รับการบุกเบิกโดยนักวิทยาศาสตร์ที่ Aalto University และนำไปสู่อุปกรณ์ที่ ระดับ ค้างคาวของมนุษย์ ซึ่งรวมถึงความสามารถในการได้ยินความถี่ที่ดีกว่า 20,000 Hz แต่ยังมองเห็นทิศทางและระยะทางของแหล่งเสียง ตัวอย่างเช่นนักชีววิทยาช่วยให้ผู้คนสามารถติดตามค้างคาวที่ซ่อนตัวในเที่ยวบินและค้นหาตำแหน่งของพวกเขา

มันทำงานได้โดยการบันทึกอัลตร้าซาวด์ผ่านอาร์เรย์ไมโครโฟนทรงกลมซึ่งตรวจจับเสียงอัลตราโซนิกและใช้คอมพิวเตอร์เพื่อแปลระดับเสียงเป็นความถี่ที่ได้ยินได้ จากนั้นก็เล่นคลื่นเสียงที่ถูกแปลงผ่านหูฟังแบบเรียลไทม์ ความสามารถในการรับรู้เสียงที่ไม่ได้ยินโดยปกติอาจมีแอพพลิเคชั่นอุตสาหกรรมที่มีค่าเช่นความสามารถในการได้ยินและค้นหาการรั่วไหลของก๊าซเงียบ

AI เรียนรู้ที่จะได้กลิ่นในลักษณะเดียวกับที่มนุษย์ทำ

แม้ว่าประสาทวิทยาศาสตร์จะเป็นโดเมนของวิทยาศาสตร์ที่ค่อนข้างเล็กและเติบโตอย่างรวดเร็ว แต่ปัญญาประดิษฐ์ (AI) นั้นเป็นทั้งใหม่และเติบโตเร็วกว่ามาก ศักยภาพของการรวมวิทยาศาสตร์ทั้งสองนี้ได้ รับการเปิดเผยโดยนักวิจัยที่ MIT

การใช้การเรียนรู้ของเครื่องจักรพวกเขาได้ค้นพบว่าเครือข่ายประสาทเทียมสามารถเรียนรู้ด้วยตนเองได้อย่างไรในเวลาเพียงไม่กี่นาทีจริง ๆ แล้วเลียนแบบวงจรการดมกลิ่นในสมองของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม สิ่งนี้ลึกซึ้งเพราะอัลกอริทึมที่ทำงานไม่มีความรู้เกี่ยวกับวิวัฒนาการหลายล้านปีที่จำเป็นในการพัฒนากลิ่นทางชีวภาพ

แต่น่าประหลาดใจที่เครือข่ายประสาทเทียมจำลองกิจกรรมทางชีวภาพของกลิ่นอย่างใกล้ชิดจนเผยให้เห็นเครือข่ายดมกลิ่นของสมองได้รับการปรับให้เหมาะสมทางคณิตศาสตร์สำหรับการทำงานของมัน

การเลียนแบบโครงสร้างตามธรรมชาติของวงจรในสมองโดยการเรียนรู้ด้วยเครื่องจักรอิสระอาจประกาศยุคใหม่โดย AI สอนความลับภายในของวิวัฒนาการทางชีวภาพ ความรู้สึกของกลิ่นเป็นจุดเริ่มต้นในปี 2021 แต่ใครจะรู้ว่าสิ่งนี้จะนำไปสู่ ​​...

ระบบประสาทเปลี่ยนความคิดเป็นประโยคในผู้ป่วยที่เป็นอัมพาตอย่างรุนแรง

นักวิจัยที่ UC San Francisco ได้พัฒนา ระบบประสาทแบบใหม่ สำหรับผู้ป่วยที่เป็นอัมพาตที่ป้องกันไม่ให้พวกเขาพูด วิธีนี้แสดงให้เห็นถึงความสำเร็จในคนที่มีก้านสมองที่เสียหายอย่างรุนแรงทำให้เกิดอัมพาตร่างกายทั้งหมด

มันค่อนข้างทำงานได้อย่างน่าทึ่งโดยการตรวจจับสัญญาณสมองที่เกี่ยวข้องกับคำพูดที่ควบคุมสายเสียง เมื่อเราพูดสายเสียงต้องใช้คำแนะนำฟังก์ชั่นมอเตอร์ที่ซับซ้อนเพื่อให้เสียงที่หลากหลายที่เราใช้เมื่อสนทนา แม้ว่าจะไม่สามารถเคลื่อนย้ายสัญญาณเหล่านี้ยังสามารถส่งจากสมองได้

การใช้การบันทึกสมองจากผู้ป่วยโรคลมชักนักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาวิธีการถอดรหัสแบบเรียลไทม์ของคำแนะนำเกี่ยวกับกล้ามเนื้อแกนนำเป็นคำ จากรูปแบบของระบบประสาทเหล่านี้พวกเขาสามารถมองเห็นได้ 50 คำที่แตกต่างกัน 50 คำที่แตกต่างกันเมื่อใดก็ตามที่ผู้ป่วยกำลังคิดพวกเขา  

สิ่งที่จำเป็นสำหรับผู้ป่วยที่จะสวมอาร์เรย์อิเล็กโทรดที่มีความหนาแน่นสูงเพื่อจับภาพและบันทึกกิจกรรมของระบบประสาทซึ่งบันทึกสัญญาณจากเยื่อหุ้มสมองมอเตอร์พูด สิ่งนี้อนุญาตให้มีการแปล 18 คำต่อนาทีด้วยความแม่นยำ 93% ข้อได้เปรียบสำหรับผู้ป่วยคือเขาต้องทำตัวเหมือนเขากำลังพูดจริง ๆ และเขาสามารถสื่อสารประโยคที่แตกต่างกันหลายร้อยประโยคจากคำศัพท์ 50 คำ

แม้ว่าการพัฒนานี้ดูเหมือนจะ จำกัด เฉพาะผู้ป่วยที่เป็นอัมพาต แต่เราได้รับอัมพาตทุกคืนเมื่อเราฝัน (เว้นแต่ว่าเราจะนอนหลับ) หากพัฒนาอย่างเพียงพอวิธีการนี้สามารถปูทางไปสู่การแปลความคิดของเราขณะนอนหลับ!

สมองขนาดเล็กของมนุษย์ที่พัฒนาด้วยกิจกรรมประสาทที่ซับซ้อน

ในทางเทคนิคที่เรียกว่า 'สมอง organoids', สมองขนาดเล็กสามารถปลูกได้จาก เซลล์ต้นกำเนิด pluripotent ที่เกิด ขึ้น เซลล์ต้นกำเนิดเหล่านี้สามารถนำมาจากผิวหนังหรือเลือดของบุคคลและศักยภาพที่จะ morph เป็นเซลล์ทุกประเภท ประโยชน์คือโครงสร้างของเซลล์โดยปกติการเข้าถึงยากมากสามารถปลูกและแยกได้เพื่อการศึกษา สิ่งนี้มีความเกี่ยวข้องโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับสมองอย่างไรก็ตามสมองขนาดเล็กก่อนหน้านี้มีโครงสร้างการทำงานที่ จำกัด

การพัฒนาในปีนี้ โดยนักวิทยาศาสตร์ที่ UCLA ได้ทำให้เกิดความซับซ้อนของโครงสร้างโดยการเพิ่มมวลรวมของ organoids เพื่อสร้างโครงสร้างสมองสามมิติที่ซับซ้อน นักวิจัยนำเซลล์ต้นกำเนิดจากผู้ป่วยที่มีอาการ RETT (เงื่อนไขที่มีอาการชัก) และสามารถเติบโตสมองขนาดเล็กที่มีกิจกรรมการทำงานคล้ายกับส่วนต่าง ๆ ของสมองมนุษย์ นี่หมายความว่าพวกเขาสามารถสังเกตรูปแบบของกิจกรรมไฟฟ้าได้อย่างปลอดภัยและประสบความสำเร็จซึ่งมีลักษณะคล้ายกับอาการชัก

การวิจัยครั้งนี้แสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่าการทำงานของสมองบางแง่มุมสามารถแยกได้และศึกษาในห้องแล็บจนถึงระดับของเซลล์ที่มีชีวิตแต่ละตัว ข้อได้เปรียบที่สำคัญคือสมองขนาดเล็กเหล่านี้สามารถปลูกเพื่อทำซ้ำแง่มุมของการทำงานของสมองทั้งปกติและโรคที่เป็นโรครวมถึงการทดสอบยาเสพติดและการรักษาโดยไม่มีความเสี่ยงต่อมนุษย์หรือสัตว์

ขนาดของสมองมนุษย์นั้นใหญ่โตดังนั้นยังมีข้อ จำกัด ที่ชัดเจนในแง่ของความซับซ้อนของโครงสร้างสมองที่สามารถศึกษาได้ แต่เห็นได้ชัดว่าโดเมนประสาทวิทยาศาสตร์ที่เกิดขึ้นใหม่นี้มีไซไฟเช่นศักยภาพ

'Neurograins' ใช้ในการพัฒนาอินเตอร์เฟสคอมพิวเตอร์สมองรุ่นต่อไป

ด้วยการเติบโตแบบทวีคูณในการเติบโตของพลังงานการคำนวณในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมาไมโครชิปได้เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ในแต่ละปี ที่มุ่งเน้นด้านเทคโนโลยี ที่มหาวิทยาลัยบราวน์ ได้พัฒนาคอมพิวเตอร์ไร้สายเพื่อให้ดวงตาของมนุษย์พลาดได้อย่างง่ายดาย ขนานนามว่า 'neurograins' - เพราะพวกเขามีขนาดของเม็ดเกลือ - พวกเขาได้รับการพัฒนาเพื่อติดตามและติดตามการทำงานของสมอง

คอมพิวเตอร์ที่มีสีสันพิเศษเหล่านี้สามารถบันทึกกิจกรรมทางไฟฟ้าจากเซลล์ประสาทใกล้เคียงและส่งข้อมูลแบบไร้สาย เป้าหมายคือการพัฒนาระบบอินเทอร์เฟซสมอง (BCI) รูปแบบใหม่ซึ่งเครือข่ายของเครื่องเซ็นเซอร์ขนาดเล็กสามารถติดตามแง่มุมที่มีความหมายของการทำงานของสมองและส่งข้อมูลไปยังฮับใกล้เคียง

ในการทดลองพิสูจน์แนวคิดนักวิจัยได้นำเครือข่ายไปใช้ในการบันทึกกิจกรรมประสาทของหนูด้วยความแม่นยำมากขึ้นกว่าที่เคยประสบความสำเร็จมาก่อน การบันทึกสัญญาณสมองในรายละเอียดที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อนมันยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น แต่ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีมีสัญญาอย่างมากว่าจะสามารถเปลี่ยนคลื่นสมองให้เป็นการกระทำที่เป็นประโยชน์ในโลกแห่งความเป็นจริงโดยไม่ต้องใช้ความพยายามทางกายภาพ

ฟื้นฟูวิสัยทัศน์การทำงานสำหรับคนตาบอดอย่างสมบูรณ์

อาร์เรย์ไมโครอิเล็กโทรด รูปแบบใหม่ เพื่อสร้างรูปแบบของการมองเห็นเทียมผ่านทางขาเทียม นักวิทยาศาสตร์มหาวิทยาลัยยูทาห์ที่ศูนย์ตา John A. Moran สร้างอุปกรณ์ เพื่อบันทึกและกระตุ้นกิจกรรมของเซลล์ประสาทภายในเยื่อหุ้มสมองที่มองเห็น

ที่ฝังอยู่ในดวงตาอาร์เรย์จะได้รับข้อมูลภาพผ่านแว่นตาที่มีกล้องวิดีโอขนาดเล็กพร้อมข้อมูลที่ประมวลผลโดยซอฟต์แวร์พิเศษ จากนั้นอุปกรณ์จะเปิดใช้งานเซลล์ประสาทจอประสาทตาเพื่อผลิตฟอสฟอรัสราวกับว่าพวกเขาได้รับจุดแสง ในทางกลับกันการอนุญาตให้ภาพพื้นฐานของเส้นและรูปร่างได้รับการยอมรับโดยจิตใจ

การทดลองกับผู้ป่วยที่ตาบอดอย่างสมบูรณ์วิธีนี้พิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพและไม่เกี่ยวข้องกับภาวะแทรกซ้อนจากการผ่าตัดหรือการกระตุ้นของเซลล์ประสาท ในการทดสอบครั้งแรกนี้มีการใช้อาร์เรย์เดียวเท่านั้น อย่างไรก็ตามเป้าหมายต่อไปคือการใช้ 7 ถึง 10 อาร์เรย์เพื่อส่งภาพรายละเอียดเพิ่มเติมซึ่งจะช่วยให้คนตาบอดสามารถนำทางโลกได้ด้วยสายตา

การบำบัดด้วยโมเลกุลแบบฉีดใหม่ซ่อมแซมการบาดเจ็บของเส้นประสาทไขสันหลังอย่างรุนแรง

นักวิจัยระดับใหม่ของ 'การเต้น' ได้ถูกนำไปใช้โดยนักวิจัยที่ Northwestern University เพื่อซ่อมแซมเนื้อเยื่อในการบาดเจ็บที่ไขสันหลังอย่างรุนแรงและ ประสบความสำเร็จในการกลับเป็น อัมพาต ส่วนการเต้นรำเกี่ยวข้องกับการจัดการการเคลื่อนที่ของโมเลกุลเหล่านี้เพื่อให้พวกเขาสามารถกระดิกไปสู่การเข้าถึงตัวรับโทรศัพท์มือถือโดยปกติเพื่อให้พวกเขาเข้าไปในการซ่อมแซมเนื้อเยื่อเส้นประสาท

โมเลกุลมหัศจรรย์เหล่านี้ทำงานได้โดยการปิดสัญญาณ cascading กระตุ้นให้แอกซอนฟื้นฟูและช่วยให้เซลล์ประสาทมีชีวิตรอดหลังจากได้รับบาดเจ็บโดยการส่งเสริมให้เกิดเซลล์ชนิดใหม่ที่หลากหลาย นี่คือการสนับสนุนการงอกใหม่ของหลอดเลือดที่หายไปที่จำเป็นสำหรับการรักษาเซลล์

ทดสอบในหนูเพียงการฉีดเพียงครั้งเดียวของการรักษาด้วยโมเลกุลนำไปสู่หนูที่เป็นอัมพาตที่สามารถเดินได้อีกครั้งในเวลาไม่ถึงสี่สัปดาห์ ค่อนข้างสะดวก 12 สัปดาห์ต่อมา (หลังจากการกู้คืนเสร็จสมบูรณ์) วัสดุที่ย่อยสลายเป็นสารอาหารสำหรับเซลล์โดยไม่มีผลข้างเคียงใด ๆ หายไปจากร่างกายอย่างมีประสิทธิภาพ

VR ให้การบำบัดเพื่อเอาชนะความกลัวความสูง

Virtual Reality (VR) ถูกใช้โดยนักจิตวิทยามานานหลายทศวรรษเพื่อตรวจสอบว่าเรารับรู้ข้อมูลทางประสาทสัมผัสได้อย่างไร นักวิจัยในปีนี้จากมหาวิทยาลัยบาเซิลมหาวิทยาลัยที่เก่าแก่ที่สุดในสวิตเซอร์แลนด์พัฒนา แอปพลิเคชั่นเสมือนจริงเพื่อรักษาความ สูง

เรียกว่า EasyHeights ซอฟต์แวร์ที่เข้ากันได้กับสมาร์ทโฟนให้การบำบัดด้วยการเปิดรับแสงโดยใช้ภาพ 360 °ของสถานที่จริง การสวมชุดหูฟัง VR ผู้ใช้ยืนอยู่บนแพลตฟอร์มที่เริ่มต้นหนึ่งเมตรเหนือพื้นดินจากนั้นเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องเมื่อผู้ใช้ปรับตัวให้เข้ากับความสูงในแต่ละขั้นตอน มันทำงานได้โดยการเพิ่มความรู้สึกทางประสาทสัมผัสถึงความสูงโดยไม่ต้องกลัวมากขึ้น

การทดลองทางคลินิกแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพของรูปแบบการรักษาที่ดื่มด่ำนี้ทำให้เกิดการลดลงอย่างมีนัยสำคัญในความหวาดกลัวในสถานการณ์ที่สูงจริง ผลประโยชน์ได้รับประสบการณ์ด้วยการฝึกอบรมตามบ้านเพียงสี่ชั่วโมง การค้นพบนี้แสดงให้เห็นว่าการผสมผสานความรู้ด้านประสาทวิทยากับเทคโนโลยีในปัจจุบันสามารถปรับปรุงคุณภาพชีวิตของผู้คนในทางคลินิกในรูปแบบที่เข้าถึงได้ง่าย

‍