Verstehen Babys die Welt von Geburt an?

Der erste Sohn von Rebecca Sachs , Arthur, stieg im Alter von nur einem Monat in die Röhre eines MRT-Geräts, um einen Gehirn-Scan durchzuführen. Sachs, ein kognitiver Spezialist am Massachusetts Institute of Technology, ging mit ihm dorthin. Es war ihr unangenehm, auf dem Bauch zu liegen, ihr Gesicht neben der Windel des Babys, aber sie streichelte und beruhigte ihn, während sich ein Drei-Tesla-Magnet um sie drehte. Arthur zeigte keine Sorge und schlief ein.

Alle Eltern sind daran interessiert, was im Kopf des Babys passiert, aber nur wenige Menschen haben die Möglichkeit, es herauszufinden. Als Sachs schwanger wurde, arbeitete sie viele Jahre mit ihren Kollegen zusammen, um ein Schema zu entwickeln, mit dem Bilder der Gehirnaktivität bei Säuglingen erhalten werden konnten. Ihr voraussichtlicher Liefertermin im September 2013 gab dem Projekt jedoch die nötigen Impulse, um es abzuschließen.

In den letzten 20 Jahren haben Forscher mithilfe der funktionellen MRT die Gehirnfunktion von Kindern und Erwachsenen untersucht. Aber fMRT erfordert wie ein Daguerreotyp des 19. Jahrhunderts eine vollständige Unbeweglichkeit des Scanobjekts, da sonst das Bild unscharf wird. Ein waches Baby ist ein nervöser Bewegungsklumpen, und sie können nicht durch Überredung oder Versprechen gezwungen werden, still zu liegen. Eine kleine Anzahl von heute existierenden fMRI-Studien basiert auf Gehirnbildern von schlafenden Babys, die Musik gespielt haben.

Aber Sachs wollte herausfinden, wie Babys die Welt im Wachzustand sehen. Sie musste sich ein Bild von Arthurs Gehirn machen, das sich Videoclips ansah. Bei erwachsenen Probanden ist dies einfach. Dies war notwendig, um zu einer ernsteren Frage zu gelangen: Funktioniert das Gehirn von Babys wie eine Miniatur?eine Kopie des erwachsenen Gehirns , oder unterscheiden sie sich grundlegend? "Ich habe ein grundlegendes Problem mit der Entwicklung des Gehirns und ich habe ein Baby mit einem sich entwickelnden Gehirn", sagt sie. "Die beiden wichtigsten Dinge in meinem Leben sind vorübergehend in einem MRT-Gerät verschmolzen."

Sachs nahm Mutterschaftsurlaub und hing mit Arthur im Auto. "Manchmal mochte er es nicht, manchmal schlief er ein oder war ungezogen oder angezogen", sagt sie. "Es ist selten, gute Daten über das Gehirn eines Kindes zu erhalten." Zwischen den Sitzungen untersuchten Sachs und Kollegen die Daten, optimierten die Experimente und suchten nach Mustern in Arthurs Gehirn. Als sie das erste nützliche Ergebnis erzielten, war Arthur 4 Monate alt und Sachs "sprang vor Freude an die Decke".

Neueste ArbeitenDas, was in Nature Communications erschien, ist der Höhepunkt von mehr als zwei Jahren Arbeit mit Bildern des Gehirns von Arthur und acht anderen Babys. In der Arbeit fanden Wissenschaftler unerwartete Ähnlichkeiten, mit denen das Gehirn von Säuglingen und Erwachsenen auf visuelle Stimulation reagiert, sowie einige interessante Unterschiede. Diese Studie ist der erste Schritt auf dem Weg, von dem Sax hofft, dass er ein massiver Versuch ist, die frühesten Stadien der Entwicklung des Geistes zu verstehen.

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fMRT ist vielleicht das nützlichste Werkzeug, mit Ausnahme der Schädelpräparation, die Wissenschaftler haben. Dies hängt von Veränderungen des Blutflusses in den aktivsten Bereichen des Gehirns ab, die ein von der Maschine erkanntes Signal erzeugen. Es gibt Kritiker in der Technik, weil dieses System die Gehirnaktivität nicht direkt misst und einfache und klare Bilder von der statistischen Manipulation abhängen, die hinter den Kulissen des Prozesses stattfindet. Trotzdem eröffnete das fMRT neue Möglichkeiten und gab Wissenschaftlern, wie Sachs sagt, eine „bewegende Karte des Gehirns“. Wissenschaftler haben bis ins kleinste Detail herausgefunden, wie verschiedene Teile des Gehirns ihre Aktivität aufbauen, je nachdem, was eine Person tut, fühlt oder denkt.

Verschiedene Bereiche der Großhirnrinde erfüllen auch unterschiedliche Aufgaben. Nancy Canviser[Nancy Kanwisher], Neurowissenschaftlerin am MIT und ehemalige Sax-Forschungsleiterin, hat den KGM-Bereich entdeckt, den „spindelförmigen Gesichtsbereich“, der mehr auf Gesichtsbilder als auf andere visuelle Stimulationen reagiert. Ihr Labor arbeitete auch an der Entdeckung des para-hippocampalen Gyrus, der auf Bilder von Orten reagierte. Als Doktorand und Mitarbeiter des Canviser-Labors entdeckte Sachs einen Gehirnbereich, der darauf ausgelegt war, mit einem Modell der menschlichen Psyche zu arbeiten (das Bewusstsein anderer Menschen zu verstehen), dh Gedanken zu verarbeiten, die mit dem Denken anderer Menschen zusammenhängen. Seitdem haben bereits mehrere Labors Gehirnregionen gefunden, die soziale Situationen analysieren und Entscheidungen treffen.

Sax, der schnell spricht und intellektuell strahlt, ist am meisten besorgt über philosophische und grundlegende Fragen des Gehirns. Aus ihrer Sicht ist die nächste naheliegende Frage: Wie war die Organisation des Gehirns? "Wenn Sie die reichen und abstrakten Funktionen des Gehirns sehen - Moral, ein Modell des mentalen Zustands -, fragen Sie sich sofort, wie alles dort erschienen ist?" Sie sagt.



Hat sich das Gehirn so entwickelt, dass getrennte Bereiche für die wichtigsten Dinge für unser Überleben hervorgehoben werden? Oder "werden wir mit einer erstaunlichen multifunktionalen Toolbox geboren, die die Organisation der Welt lernen kann, die ihr zur Verfügung gestellt wird?" Kommen wir mit angeborenen Blaupausen auf diese Welt, nach denen spezielle Bereiche im Gehirn erscheinen, zum Beispiel zur Gesichtserkennung, oder entwickeln wir solche speziellen Bereiche Monate oder Jahre, nachdem wir viele Gesichter um uns herum gesehen haben? "Die Grundstruktur des menschlichen Gehirns kann für alle Menschen ähnlich sein, weil für alle Menschen die Welt ungefähr gleich ist", sagt sie. Oder diese Grundlagen können von Geburt an vorhanden sein.

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Riley LeBlanc spuckt ihre Brustwarze aus und fängt an zu schreien. Sie ist fünf Monate alt, auf dem Kopf ein Bündel welliger brauner Haare, und sie tummelt sich in ihren Windeln, während Heather Kosakowski, die Leiterin des Saxophonlabors, Riley schaukelt, neben dem riesigen MRT-Gerät im Erdgeschoss des Gebäudes steht Abteilung für Gehirnforschung und Kognitionswissenschaft am MIT. Lori Fauci, Rileys Mutter, die auf einer Scanner-Liege sitzt, holt eine weitere Puppe für ihr Baby aus der Gesäßtasche.

Hier wird alles getan, um Riley zu beruhigen. Der Raum ist schwach beleuchtet, aus den Lautsprechern sind Schlaflieder in Form von klingelnden Versionen beliebter Lieder für ein Spielzeugklavier zu hören (derzeit Guns N 'Roses, „Sweet Child o' Mine“).


Überhaupt kein Spielzeugklavier, aber gute Leistung.

Auf der Scanner-Liege befindet sich eine speziell entwickelte Hochfrequenzspule - eine Bettbank und ein Helm in Kindergröße -, die beim Scannen wie eine Antenne für Funksignale funktionieren sollte. Das MRT-Gerät ist so programmiert, dass es weniger Geräusche als gewöhnlich erzeugt, um das empfindliche Gehör des Babys nicht zu schädigen.

Nach ein paar Fehlstarts ist Riley bereit, ohne viel Aufhebens auf einer Rolle zu liegen. Ihre Mutter liegt auf dem Bauch, so dass ihre Hände und ihr Gesicht neben Riley liegen und sie beruhigen. Kozakowski schiebt Mutter und Kind in den Scanner und geht in den nächsten Raum. Lyneé Herrera, eine andere Labortechnikerin, bleibt mit einem MRT im Raum und gibt Kozakowski die Hand, um zu wissen, ob Rileys Augen offen sind und sie in den Spiegel über ihrem Kopf schaut. Hier werden Bilder angezeigt, die von der Rückseite des Geräts projiziert wurden.

Das Ziel des Teams ist es, 10 Minuten Daten von jedem Baby zu sammeln, ohne das Video zu verschieben. Dazu werden in der Regel genügend Daten in zwei Arbeitsstunden gesammelt. „Je öfter ein Baby zu uns kommt, desto wahrscheinlicher ist es, dass es 10 Minuten dauert“, sagt Kozakovsky. Dies ist Rileys achter Besuch.

Als Herrera ein Signal gibt, dass Riley aufgewacht ist, startet Kozakovsky den Scanner und startet eine Reihe von Videoclips, da Kinder eher bewegte Bilder als Standbilder betrachten. Nach einer Weile drückt Herrera seine Finger und zeigt damit an, dass sich Rileys Augen wieder geschlossen haben. „Manchmal scheint es mir, dass Babys am besten mit uns schlafen“, lacht Kozakovsky.

Das Studium von Babys hat immer Kreativität erfordert. "Es war eine interessante Aufgabe", sagt Charles Nelson."Ein kognitiver Neurowissenschaftler an der Harvard Medical School und im Boston Children's Hospital, der sich mit der Entwicklung von Kindern befasst - weil Sie es mit einem nonverbalen, sprachbeschränkten Organismus mit Aufmerksamkeitsdefizit zu tun haben und versuchen, herauszufinden, was in seinem Kopf vor sich geht." Manchmal stimmen Technologien zur Untersuchung von Säuglingen mit Technologien zur Untersuchung von Tierprimaten oder Kindern mit Behinderungen überein, die nicht sprechen können. "Wir haben eine ganze Reihe versteckter Methoden, um in einen Affen, ein Kind oder ein Kind mit Entwicklungsproblemen zu schauen", sagt Nelson.

Der einfachste Weg, sein Verhalten zu beobachten und die Richtung seines Blicks zu markieren, entweder durch externe Beobachtung oder durch Technologie zur Verfolgung von Augenbewegungen. Sie können die Gehirnaktivität messen. Zum Beispiel fürBei der Elektroenzephalographie müssen Sie lediglich einen Helm mit Elektroden und Drähten am Kopf des Babys befestigen und können Schwankungen der Gehirnwellen beseitigen. Bei der neuen Technologie, der Nahinfrarotspektroskopie (NIR-Spektroskopie; Nahinfrarotspektroskopie, NIRS), tritt Licht durch den weichen und dünnen Schädel eines Säuglings, um Veränderungen im Blutfluss des Gehirns zu bestimmen.

Beide Methoden verfolgen Änderungen der Gehirnaktivität, aber die NIR-Spektroskopie erreicht nur die oberen Schichten, und das EEG zeigt nicht, welche Bereiche des Gehirns aktiviert sind. „Um die detaillierte räumliche Organisation zu untersuchen und in die tiefsten Bereiche des Gehirns zu gelangen, muss man fMRI verwenden“, sagt Ben Dean , der erste Autor der Studie, der jetzt an der Rockefeller University arbeitet.

Mit anderen Methoden fanden die Forscher Hinweise darauf, dass Babys unterschiedlich auf visuelle Reize verschiedener Kategorien reagieren, insbesondere auf Gesichter. Gesichter sind "ein wahrnehmbarer Teil der Umwelt", sagte Michelle de Haan , eine Neurowissenschaftlerin, die sich auf die Entwicklung des Gehirns am University College London spezialisiert hat. In den ersten Lebenswochen konzentrieren sich die Augen des Babys am besten auf Objekte, die sich in einiger Entfernung vom Gesicht der stillenden Mutter befinden. Einige Forscher glauben, dass Babys einen angeborenen Mechanismus haben, der ihre Augen auf Gesichter richtet.

Es gibt Hinweise darauf, dass Babys einen längeren Gesichtsausdruck haben. Mit der Zeit und Erfahrung wird die Reaktion auf das Gesicht des Babys spezifischer. Zum Beispiel ist es für Erwachsene schwierig, Gesichter verkehrt herum zu unterscheiden, aber Säuglinge unter 4 Jahren haben kein solches Problem - sie unterscheiden sowohl umgekehrte als auch nicht umgedrehte Gesichter. Aber nach 4 Monaten des Lebens werden sie anfällig für richtig lokalisierte Personen. Im Alter von 6 Monaten haben Säuglinge, die das Gesicht sehen, ein EKG, das dem EKG eines Erwachsenen ähnelt, der das Gesicht betrachtet.


Weiße und blaue Farben zeigen Regionen des Gehirns an, die auf die Situation reagieren. Gelb, Orange und Rot sind Regionen, die auf Gesichter reagieren.

Aber wie Dean sagt, obwohl die Studie behauptet, dass es für bestimmte Kategorien eine gewisse Spezialisierung im Gehirn von Säuglingen geben könnte, „haben wir nur sehr wenige Details darüber, woher diese Signale kommen.“

Für ihre aktuelle Arbeit erhielten Sachs und Kollegen Daten zu neun der 17 von ihnen gescannten Babys. Und obwohl das Labor zunehmend auf die Hilfe Dritter angewiesen ist, hat ihnen der „Fluss der Laborbabys“, darunter Arthur, der zweite Sohn von Saks, Percy, der Sohn ihrer Schwester und der Sohn eines Wissenschaftskandidaten, sehr geholfen. Filme mit Gesichtern, Bildern der Natur, menschlichen Körpern, Spielzeugen sowie gemischten Bildern, in denen Teile verwechselt wurden, wurden Babys gezeigt. Sachs sagt, dass sie sich auf die Gesichter konzentriert haben, nicht auf die Umgebung, weil diese beiden Reaktionen im Gehirn von Erwachsenen deutlich unterschiedlich sind und in sehr unterschiedlichen Teilen des Gehirns auftreten.

Interessanterweise wurde das gleiche Muster bei Säuglingen gefunden. „Jede Region, die wir kennen und die bevorzugt auf Gesichter oder Umgebungen reagiert, reagiert auch bei Säuglingen im Alter von 4 bis 6 Monaten“, sagt Sachs. Dies zeigt, dass der Kortex "bereits spezialisiert ist".

Werden Kinder mit diesen Möglichkeiten geboren? "Man kann nicht genau sagen, dass ihnen alles angeboren ist", sagt Dean. "Wir können sagen, dass es sich sehr früh entwickelt." Sachs stellt fest, dass diese Reaktionen über die visuelle Zone der Großhirnrinde hinausgehen. Die Forscher fanden auch Unterschiede im frontalen Teil des Kortex, der für Emotionen, Bewertung und Selbstbewusstsein verantwortlich ist. Zu sehen, wie der Frontallappen bei Säuglingen aktiviert wird, ist wirklich großartig “, sagt sie. - Es wird angenommen, dass dieser Teil einen der letzten entwickelt.

Obwohl das Sachs-Team feststellte, dass ähnliche Bereiche des Gehirns sowohl bei Säuglingen als auch bei Erwachsenen aktiv waren, fanden sie gleichzeitig keine Hinweise darauf, dass Säuglinge Bereiche haben, in denen nur eine bestimmte Art von Eingabe verarbeitet wird, z. B. Gesichter oder Einstellungen. Nelson, der nicht mit diesem Team zusammengearbeitet hat, sagt, dass das Gehirn von Säuglingen "universeller" ist. "Dies weist auf die grundlegenden Unterschiede zwischen dem Gehirn eines Säuglings und eines Erwachsenen hin."

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Es ist erstaunlich, wie ähnlich die Gehirnfunktion von Säuglingen und Erwachsenen ist, wenn man bedenkt, wie sehr sie sich unterscheiden. Auf dem Computerbildschirm im Raum neben dem MRT im MIT kann ich Bilder von Rileys Gehirn sehen, als sie schlief. Im Vergleich zu Gehirnscans bei Erwachsenen, die verschiedene Strukturen aufweisen, ist Rileys Gehirn erschreckend dunkel.

"Es sieht aus wie ein schlechtes Foto, nicht wahr?" - sagt Kozakovsky. Sie erklärt, dass in diesem Stadium bei Säuglingen die Fettisolierung von Nervenfasern, Myelin , aus dem weiße Substanz besteht, unterentwickelt ist . Der Corpus Callosum, eine Nervenfaserklemme, die die beiden Gehirnhälften verbindet, ist kaum sichtbar.

In diesem Alter expandiert das Gehirn immer noch - die Großhirnrinde schwillt im ersten Lebensjahr um 88% an. Zellen verändern die Organisation, bilden schnell neue Verbindungen, von denen viele bereits in der Kindheit und Jugend verschwinden. In diesem Stadium ist das Gehirn unglaublich flexibel: Wenn Kinder Schlaganfälle oder Krämpfe haben, bei denen die gesamte Gehirnhälfte entfernt werden mussSie sind überraschend gut restauriert. Diese Flexibilität hat jedoch auch Einschränkungen. Wenn Babys misshandelt werden, können Lernschwierigkeiten ein Leben lang bei ihnen bleiben.

Das Studium der Entwicklung eines gesunden Gehirns kann helfen, zu verstehen, warum dieser Prozess manchmal verzerrt ist. Beispielsweise ist bekannt, dass viele Kinder und Erwachsene mit Autismus Schwierigkeiten mit sozialen Aspekten haben, beispielsweise mit der Interpretation von Individuen . Sind diese Probleme in den frühen Stadien der Gehirnentwicklung vorhanden oder sind sie Teil von Kindheitserfahrungen und werden durch mangelnde Aufmerksamkeit für Individuen und soziale Feinheiten verursacht?

Wir fangen gerade erst an, die Organisation des Gehirns bei Säuglingen zu verstehen. Das Erstellen eines vollständigen Bildes ihres Gehirns wird viel mehr Stunden dauern, um Daten von einer viel größeren Anzahl von Kindern zu sammeln. Aber Sachs und Kollegen haben gezeigt, dass eine solche Studie möglich ist, und dies eröffnet der Wissenschaft neue Bereiche. „Wenn Sie extrem geduldig sind, können Sie hochwertige wMRI-Daten von wachen Babys erhalten“, sagt Sachs. "Jetzt versuchen wir zu verstehen, was wir daraus lernen können."

Source: https://habr.com/ru/post/de400937/