10 Mind-Bending Sci-Fi Förbättringar i Brain Science

De flesta människor tänker inte dagligen på neurovetenskap. Neuroscientists arbete är vanligtvis obskyr, tråkig forskning som gradvis förbättrar vår förståelse av hjärnan och vårt nervsystem.

Ändå resulterar deras experiment ibland i fynd som annars bara visas i science fiction romaner. Här är några av de mer överraskande.

10Föra konstgjorda minnen

Är det möjligt att på ett artificiellt sätt skapa ett helt falskt minne som är praktiskt taget oskiljbart från en riktig? Ja, det är - om du är en av forskaren vid UC Irvine.

I en studie på råttor lyckades dessa forskare presentera nya, riktade minnen i gnagarnas hjärnor. De spelade en specifik ton som de ville att råttorna skulle reagera, samtidigt som acetylkolin frigörs - en kemikalie som är ansvarig för bildandet av nya minnen.

Resultatet? Råttor utvecklade det förväntade svaret på den speciella tonen när de testades dagen efter experimentet. Dessa nya minnen hade "samma egenskaper" som deras naturligt förekommande motsvarigheter. Vidare behöll de konstgjorda minnenna på lång sikt, vilket visar att det är möjligt att permanent forma minnen under laboratoriebetingelser.

Forskarna hoppas att dessa fynd banner väg för att hjälpa människor med minne och inlärningssvårigheter, eventuellt genom att införa nya minnen med liknande accelererade tekniker. Vi är nog fortfarande en väg från en framtid där vi förvärvar ny kunskap på efterfrågan, som huvudpersonerna i Matrisen-men man kan alltid drömma.

Åh, och talar om drömmar ...

9Manipulerande drömmar

Om det finns en sak vi vet om drömmar, är det att de är unika för varje individ. De är en produkt av dina senaste erfarenheter, känslor och tankar. Du kan inte bara få någon att drömma vad du vill.

Eller kan du?

Forskare på MIT lyckades göra just det. De började genom att träna råttor för att köra en labyrint. Råttorna fick två distinkta ljudsignaler för att hjälpa dem att navigera i labyrinten och hitta godis. En ton skulle berätta för råttorna att behandla var till vänster; Den andra tonen berättade för dem att svänga till höger. Råttor älskar godis, så snart de lärde sig vad de två olika tonerna betydde, svarade de på dem när de navigerade i labyrinten. Forskare registrerade sedan de specifika förändringarna i råttans hjärnvågor när de svarade på de två olika tonerna.

Slutligen var det dags att röra med råttans drömmar. När råttorna gick somna, övervakades deras hjärnaktivitet för att fastställa det, ja-de drömde om att springa genom labyrinten. På den tiden försökte forskarna påverka drömmarna genom att spela de två olika tonerna.

Njutningsvis visade hjärnskanningarna att råttorna, samtidigt som de drömde, svarade på ljudsignalerna på exakt samma sätt som de gjorde när de vaknade. Detta experiment visar att drömmar kan formas direkt av externa triggers. Forskarna spekulerar även att en dag kommer det att vara möjligt för människor att ha anpassade drömmar via en sådan "drömteknik".

8Registrering av drömmar

Vad händer om du vill spela in dina drömmar, så att du kan titta på dem senare, som en film? Det visar sig att det i slutändan kan mycket väl vara möjligt. En studie av forskare i Kyoto, Japan visade att hjärnskanning kan användas för att skapa en representation av människors drömmar, i realtid.

Den första etappen av studien hade människor som sov i en MR-scanner medan deras hjärnaktivitet registrerades. De vaknade sedan och intervjuade om vad de hade sett medan de drömde. Detta gjordes cirka 200 gånger för var och en av de tre deltagarna.

Under andra etappen isolerade forskarna de 20 mest sedda objekten och hittade bilder som representerar dessa. De visade dessa objekt för deltagarna, medan de mätade deras hjärnans svar på dem för att upprätta en korrelation. Därefter matade forskarna bilderna och motsvarande MR-skanningar in i en inlärningsalgoritm.

Slutligen var de tre deltagarna inbjudna att sova inuti MR-scannern en gång till. Under tiden genererade den smarta algoritmen strängar av bilder, baserat på sleepers hjärnaktivitet. Ämnenna vaknade sedan och frågade om sina drömmar. I slutändan kunde algoritmen matcha drömmarna med ungefär 60 procent noggrannhet.

Medan det är långt ifrån perfekt är detta ett första steg mot att verkligen kunna spela in drömmar. Vi vet redan att det är möjligt att skapa råa men överraskande avancerade filmer som representerar vår hjärnans aktivitet. I ljuset av denna japanska drömstudie kan det bara vara en fråga om tid innan vi kan göra detsamma med våra drömmar.

7Brain Cell Transplants

Kan hjärntransplantationer användas för att förbättra hjärnans funktion? För att svara på den frågan skapade forskare vid University of Rochester Medical Center humana chimära möss. Det låter olyckligt men det innebar helt enkelt att dessa möss fick human astrocyter-en viss typ av hjärnceller. Mössen injicerades med 100 000 av dessa astrocyter medan de fortfarande utvecklades.

Anmärkningsvärt, när musen blev sex månader gamla hade dessa mänskliga celler väsentligen helt ersatt ekvivalenta möss hjärnceller. Forskarna utsatte sedan mössen för många test, utformade för att utvärdera deras minne och lärande förmågor. Dessa "smarta" möss slutade fungera markant bättre över ett brett spektrum av tester än kontrollgruppen och visade sig generellt vara snabbare vid inlärning.

Neuroscientist Bruce Ransom erkände betydelsen av denna forskning och sade: "Det är ett fantastiskt resultat.Det ger de första otvetydiga bevisen att astrocyter kan ha varit en av de evolutionära drivkrafterna för mänskliga förmågor. "Det är medvetet, att citatet misstänkt saknar synpunkter på farorna med att odla hyper-intelligenta gnagare.

6Varande vaksamhet

Vi har alla varit i situationer som krävde långvariga fokus-tänk på slutliga tentor, arkivering av avkastning och Sagan om ringen maraton. Vi kan alla intyga att så småningom bli trött och förlora vår förmåga att uppmärksamma oss. Vad händer om det var ett sätt att göra oss mer uppmärksamma under dessa typer av aktiviteter?

Det finns, och allt som krävs är att zappa din hjärna med en styrd elektrisk ström. En studie utsatte deltagarna för ett antal vakenhetstester. Vissa deltagare fick noninvasiv hjärnstimulering, i form av "prefrontal transcranial direct current stimulation" (tDCS). Andra fick en skambehandling. I slutändan var folk som fick tDCS mer fokuserade och upprätthöll sin våldsamhet över längre perioder.

Studien visar att riktad stimulering effektivt kan tillämpas för att bättre utnyttja hjärnans ofta outnyttjade resurser. människor kan göras mer vaksamma. Forskare föreslår att denna metod är lämplig för att motbalansera minskningen av prestandan hos arbetare som kräver långa perioder av långvarig uppmärksamhet.

5Göra oss bättre ljugare

Inte alla tDCS används för gott. Vissa tillämpningar av icke-invasiv hjärnstimulering kan riktas mot en mindre etisk strävan: att hjälpa oss att ligga mer övertygande.

En studie instruerade 44 volontärer att rollspel som tjuvar. Deltagarna fick låtsas att stjäla pengar och blev sedan utfrågade om sina missgärningar. Denna utfrågning genomfördes via "Skyldigt Kunskapstest", en variation av polygraptestet.

Genom att använda tDCS för att hämma funktionen av den främre prefrontala cortexen, kunde den del av hjärnan som ansvarar för bedrägeri-forskare utlösa märkliga förbättringar i försökspersonernas förmåga att ljuga. Personer som fick hjärnstimulering var snabbare på att komma upp med lögner, men inte snabbare när de svarade sanningsenligt. Kanske ännu mer intressant visade sig dessa deltagare sig vara mindre skyldiga att ligga än kontrollgruppen.

Detta indikerar att det kan vara möjligt att förbättra någons förmåga att ligga i vila, om det behövs. Tänk på de många yrkesverksamma som kan dra nytta av den här typen av förbättrad ljutförmåga: spioner, undercover poliser, soldater i fängelse och kampanjpolitikare.

4Brain-Boosting Music

Det är ganska välkänt att musik har en mätbar effekt på vårt humör och vår uppfattning om världen. Du kan förmodligen lätt komma ihåg en tid när en särskilt sorglig sång gjorde dig melankoli, eller omvänt ett optimistiskt spår som fick dig att le och dansa.

Visas det är inte bara våra känslor som kan dra nytta av en dos god musik. Våra kognitiva förmågor kan också påverkas genom att lyssna på specifika musikaliska poäng. Forskning vid Northumbria University i Storbritannien hade personer som utför ett test som mätt mental koncentration. Deltagarna var tvungna att titta på en grön torg att dyka upp på en datorskärm och tryck på utrymme som det gjorde, samtidigt som man ignorerade andra färger och former.

Vissa deltagare gjorde det i tystnad; andra lyssnade på olika rörelser från Vivaldi s De fyra årstiderna concerti. Den mer optimala "Spring" -koncerten resulterade i den bästa genomsnittliga svarstiden på 393,8 millisekunder; Den långsamma "hösten" ökade människornas reaktionstid till 413,3 millisekunder, jämfört med 408,1 millisekunder för de som inte lyssnade på någon musik alls.

En annan studie visade att musik kan hjälpa människor att hämta självbiografiska minnen efter en "förvärvad hjärnskada". Så det verkar som om noggrant utvald musik kan spela en nyckelroll för att öka människors kognitiva förmågor, uppmärksamhet och minne.

3Prostetisk hjärna

Nu har vetenskapen avancerat tillräckligt långt för att hitta sätt att ersätta de flesta delar av kroppen. Vi har protetiska armar, protesben och verkar vara på randen för att fungera protetiska ögon. Hjärnan är dock mycket mer komplex än en lem. Att göra en hjärnprotes är långt från en enkel uppgift, och vi är långt ifrån att göra fullt fungerande hjärnbyte. Ändå tar vi stora framsteg på den fronten, med en så kallad "neural protes" som har visat sig återställa hjärnfunktionen efter traumatisk huvudskada.

I en proof-of-concept-studie avbröt forskarna kommunikation mellan områden av råttans hjärna och simulerade en traumatisk hjärnskada. Studiens 16 råttor förlorade nästan all funktion i sina förben. Några lämnades obehandlade; andra fick en anordning som slumpmässigt stimulerade olika delar av hjärnan. En tredje grupp av råttor var försedd med den neurala protesen, som skapade en bro mellan de två lossna områdena i hjärnan.

Resultaten var övertygande. Efter två veckor återupptog den neurala protesgruppen hjärnfunktionen i en sådan utsträckning att "deras rörelser var oskiljbara från deras beteende före deras hjärnskada." Det implanterade hjärnans maskin-hjärnans gränssnitt gav i princip de två avskiljda områdena i hjärnan till korrekt kommunicera med varandra igen. Forskare hoppas att denna studie leder till skapandet av en liknande protes för att behandla hjärnskada och stroke trauma hos människor. Kombinerade, dessa typer av skador - i USA ensam - påverkar nästan tre miljoner människor.

2Hacking Brains för att få tillgång till känsliga data

Alla vet att våra digitala enheter är benägna att hackerattacker.Tekniskt kunniga personer kan få tillgång till dina kreditkortsuppgifter och PIN-koder relativt enkelt, särskilt om de flesta av dina lösenord är bokstavligen "lösenord". Det bästa sättet att hålla känsliga data privata är att lagra det säkert i den unhackable fästningen som är din hjärna . På så vis kan ingen få tillgång till informationen, eller hur?

Inte riktigt. Vid USENIX Security Conference 2012 har forskare visat hur informationen kan bli lättare att extrahera med hjälp av enkla enheter utan hylla. För deras demonstration använde de ett relativt billigt, lättillgängligt hjärn-datorgränssnitt (BCI) och ett eget läsprogram. Deltagarna analyserades utan att uttryckligen berättade att deras hjärna skulle "hackas" i processen.

Genom att läsa de elektroencefalografiska signalerna som producerats av patientens hjärnor kunde forskarna bevisa att tillgång till privata informations-PIN-koder, kreditkortsdata och så vidare kan göras mätbart lättare via konsumentkvalificerade BCI-enheter. Samtidigt som den inte gör sådan information fullständigt öppen "minskar entropin av den privata informationen i medeltal med cirka 15 till 40 procent jämfört med slumpmässiga gissningsattacker", när man använder BCI.

1Mind Control

Så nyfiken som ovanstående studier är att kanske ingen av dem kommer så nära sciencefictionens rike som sinnekontroll - en av de mest utforskade "vad händer" i många filmer och böcker. Medan sann sanningskontroll inte är precis i horisonten, har några senaste studier visat några ganska extraordinära resultat.

I en Harvard Medical School-studie kunde människor direkt kontrollera rörelser i råttans svans med hjälp av tankar ensam. Människor var utrustade med en BCI-enhet som omvandlade sina tankar till datorkommandon. Råttorna var i sin tur utrustade med ett dator-till-hjärn-gränssnitt som använde fokuserad ultraljud för att stimulera sina hjärnor.

Som ett resultat öppnades en hjärn-till-hjärnanslutning mellan människorna och råttorna, så att människor fjärrkontrollerade råttans svansar efter vilja. Studien hade en häpnadsväckande framgång på 94 procent, över sex olika människor och sex olika råttor. I synnerhet var den etablerade kopplingen mellan hjärna och hjärna helt noninvasiv, vilket inte kräver några komplexa kirurgiska ingrepp.

Om du tycker att det är imponerande, vänta tills vi berättar om en ny studie vid University of Washington. Denna studie använde liknande kommunikation mellan hjärnan och hjärnan, med en anmärkningsvärd skillnad: Båda ämnena var mänskliga.

Två forskare var placerade i olika delar av universitetets campus. En hade en keps som omvandlade sina tankar till elektriska signaler, medan hans kollega bar en som fick sin hjärna att få magnetiska signaler. Den första forskaren var tvungen att spela ett dataspel som fick honom att skjuta en kanon på olika mål. Fångsten? Han var tvungen att göra det utan att använda sina händer. I stället var han tvungen att föreställa sig kanonen i hans sinne och därigenom göra sin kollega till det faktiska tangenttrycket vid rätt ögonblick.

Studien var en framgång. Medan forskare snabbt framhäver att detta experiment är ganska grundläggande vid installationen, tror de att det är ett första försiktigt steg mot mer avancerade applikationer. Några år längs linjen kan vi se många sociala användningsområden för en sådan direktkontroll. Dessa kan innehålla allt från att låta personer med funktionshinder kommunicera bättre, för att hjälpa någon att landa ett flygplan på distans.

För nu är det spekulation. Ännu en sak är visst: Neurovetenskap är ett allt mer spännande forskningsområde som säkert har mer futuristiska utvecklingar i butik för oss.