Eine einzelne Gedankenform im Gehirn beobachten

Eines der langfristigen Ziele auf dem Gebiet der Neuro-Bildgebung besteht darin, zu verstehen, was eine Person denkt, indem sie sich nur das Muster ihrer Gehirnaktivität ansieht – im Wesentlichen das Lesen der Gedanken. Obwohl dieses Kunststück noch in weiter Ferne liegt, haben Wissenschaftler der University of New Mexico einen wichtigen Schritt getan, indem sie Neuro-Imaging-Techniken so verfeinert haben, dass sie zuverlässig einen einzelnen Gedanken erkennen können, der sich im Gehirn eines Individuums bildet.

Sobald einem Freiwilligen ein Wort einfällt, entdecken die Forscher Gehirnaktivität im Broca-Areal (gelber Pfeil), einem Teil des Gehirns, der an der Sprache beteiligt ist. (Quelle: Stefan Posse, University of New Mexico)

Die Technik könnte verwendet werden, um klinische Anwendungen der Neuro-Bildgebung zu verbessern, beispielsweise die Patientendiagnose, oder um flüchtige oder nicht reproduzierbare kognitive Prozesse zu untersuchen, beispielsweise das Erlernen einer neuen Fertigkeit. Dies könnte eine ganz neue Dimension der Verwendung von fMRT eröffnen, sagt Peter Bandettini , Direktor der fMRI-Kerneinrichtung an den National Institutes of Health in Bethesda, MD.



Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) misst den Blutfluss zu verschiedenen Teilen des Gehirns und zeigt so an, welche Hirnareale am aktivsten sind. Die Abbildung des Gehirns, während jemand mentale Aufgaben ausführt, wie sich Wörter merken oder rechnen, gibt Einblick in die Teile des Gehirns, die für diese kognitiven Prozesse entscheidend sind.

Die Gehirnaktivität ist jedoch sehr laut, was bedeutet, dass Wissenschaftler die relevanten neuronalen Signale von Hintergrundaktivitäten unterscheiden müssen, die von der Atmung, Bewegung oder sogar Tagträume eines Probanden stammen können. Um die mit einer bestimmten Aufgabe verbundene Gehirnaktivität zu erkennen, verwenden die meisten fMRT-Untersuchungen durchschnittliche Gehirnscans aus wiederholten Tests bei Dutzenden von Menschen.

Stefan Posse und Kollegen von der University of New Mexico entwickeln neue Methoden zur Sammlung und Analyse von fMRT-Daten, die es ihnen ermöglichen, die Gehirnaktivität aus einem einzigen Gedanken zu erkennen. Sie haben ihre hochsensiblen Bildgebungsmethoden entwickelt, indem sie mehr Bilder in kürzerer Zeit aufnehmen und neue Algorithmen entwickelt haben, um diese Bilder zu integrieren und Hintergrundgeräusche zu reduzieren.

Wie in einem Artikel im letzten Monat in der Zeitschrift beschrieben Neuroimage , bat Posses Team acht Freiwillige, die in einem Scanner lagen, sich ein Wort auszudenken, das mit einem Buchstaben beginnt, der auf einem Bildschirm über ihren Gesichtern aufleuchtet. Anschließend zeichneten sie die Aktivität im Broca-Areal auf, einem Teil des Gehirns, der an der Spracherzeugung beteiligt ist.

Die Forscher fanden heraus, dass sie die Aktivität in dieser Region nach einem einzigen Versuch ungefähr so ​​zuverlässig nachweisen konnten wie in früheren Studien, bei denen die Ergebnisse über mehrere Studien gemittelt wurden. Wir können es tatsächlich in Echtzeit auf dem Scanner sehen, sagt Posse.

Experten sagen, dass die Ergebnisse vielversprechend sind, obwohl sie noch bestätigt werden müssen. Es ist wichtig, dies in anderen Gehirnregionen und mit anderen Aufgaben zu versuchen, um zu sehen, wo es funktioniert, sagt Christopher deCharms, Gründer von Omneuron, einem Startup für Gehirnbildgebung in Menlo Park, Kalifornien.

Die Forscher versuchen nun, aus diesen kurzen Gehirnaktivitätsmustern zusätzliche Informationen zu sammeln. Manchmal sahen wir in Brocas Gegend eine zweite Beule, sagt Posse. Die Probanden sagten uns dann, dass sie an ein zweites Wort gedacht hatten.

Schließlich hoffen die Forscher, noch kompliziertere Merkmale ableiten zu können – etwa die Art des Wortes, das die Person generiert hat, ob das Wort sie glücklich oder wütend gemacht hat und letztendlich komplexere Gedanken. Wenn man Aktivität sehen kann, die durch ein einzelnes Wort erzeugt wird, kann man vielleicht auch Aktivität aus einer längeren Gedankenfolge sehen, dann komplexe Gehirnprozesse, sagt Posse. Die Idee ist, den Strom der Gedankengänge in einzelne Gedanken zerlegen zu können.

Experten für Gehirnbildgebung sagen, dass eine Technik, die einzelne Gedanken zuverlässig misst, eine neue Welt der Experimente eröffnen könnte. Wenn es uns gelingt, Daten aus einem einzigen Versuch zu messen, erhalten wir eine leistungsfähigere Methode als bisher verfügbar, sagt deCharms. Sie könnten die Leistung bei einer Aufgabe überwachen, z. B. bei einer Operation oder beim Fliegen eines Flugzeugs, wenn Sie verstehen möchten, wie sich die Leistung von Sekunde zu Sekunde ändert.

Und mit dieser Ein-Gedanken-Methode könnte man den Lernprozess selbst studieren, der sehr schnell abläuft, sagt deCharms. Einen ersten Eindruck kann man nur einmal haben. Um einen bestimmten Lernprozess zu untersuchen, müssten Wissenschaftler den Unterschied in der Gehirnaktivität zwischen dem ersten Mal, wenn jemand eine neue Fähigkeit ausführt, und dem zweiten oder dritten Mal messen. Wenn Sie einen Durchschnitt von über 20 Versuchen durchführen müssen, verlieren Sie viel Einsicht, sagt deCharms.

Auch in der Klinik könnten Single-Trial-Gehirn-Imaging-Techniken sinnvoll sein. Derzeit wird fMRT selten zu diagnostischen oder therapeutischen Zwecken eingesetzt, da es schwierig ist, zuverlässige Daten aus einem individuellen Gehirnbild zu gewinnen. Aber da fMRT-Techniken wie die von Posse eine empfindlichere Bildgebung ermöglichen, werden Ärzte besser in der Lage sein, medizinische Entscheidungen aus einzelnen Gehirnscans zu treffen. Darüber hinaus, so Bandettini, wird die Möglichkeit, in kürzerer Zeit zuverlässige Bilder zu erstellen, den Prozess sowohl für Ärzte als auch für Patienten vereinfachen.

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