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¿La señal del cerebro humano de la misma tarea en diferentes momentos tiene las mismas características?

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Actualmente estoy haciendo una investigación sobre las emociones humanas basada en la clasificación de EEG.

Hago un experimento en el que le muestro al sujeto una imagen sobre el estado de emoción 3 y registro su señal de EEG. Dividí mi experimento en 3 conjuntos, en cada conjunto cambio el orden de registro (por ejemplo: Conjunto 1: emoción 1, 2, 3; Conjunto 2: emoción 2, 3, 1 y Conjunto 3: emoción 3, 1, 2).

Tengo una pregunta de que en un tiempo de registro diferente (o en un conjunto diferente), ¿la señal de EEG se realiza en la misma tarea y tiene las mismas características con el conjunto de órdenes?

Tengo esta pregunta porque escuché que las personas siempre cambian de estado de ánimo en diferentes momentos.

Muchísimas gracias.


La lista de funciones del cerebro humano:

El órgano maestro de su cuerpo, se le asigna una multitud de funciones cerebrales vitales que se regulan y logran de manera bastante eficiente. La delicada masa esponjosa que forma el cerebro está encerrada en un caparazón duro, el cráneo, bellamente colocado en la parte superior de su cuerpo.

¿Cuáles son las funciones del cerebro humano en el cuerpo? Para enumerar todas las funciones y responsabilidades de esta colección de miles de millones de neuronas, debe redactar un libro completo.

Desde una leve sensación de tacto hasta el complejo fenómeno de pensamientos sublimes y capacidades críticas de toma de decisiones, todos caen bajo el dominio de esta parte central del Sistema Nervioso Central.

Las funciones superiores del cerebro deben ser realizadas por la corteza cerebral, una región muy desarrollada del cerebro.

Contiene cuatro lóbulos, a cada uno se le asigna una tarea específica. Así, el cerebro ejecuta todas las acciones y procesos que implican la división del trabajo.

Para la comprensión básica del tema, a continuación se incluye una lista de las funciones del cerebro humano.

Razonamiento: una característica definitiva de la naturaleza humana

El pensamiento o el razonamiento lo realiza el lóbulo frontal de la corteza cerebral. Eso es lo que distingue al ser humano como la criatura más avanzada del planeta tierra.

La cognición o el intelecto es la capacidad de los seres humanos que les permite desafiar las creencias sociales o religiosas y verificar los hechos.

Aquí no es de extrañar saber que el desarrollo del conocimiento en varios campos, como la ciencia, el arte, la filosofía, las matemáticas y el lenguaje, se debe únicamente al maravilloso potencial de su razonamiento.

Movimientos

Tu cerebro inicia y coordina varios movimientos corporales. Estos movimientos pueden ser de dos tipos, voluntarios e involuntarios. Ocurren en diferentes órganos del cuerpo.

Por ejemplo, los músculos de los brazos, las piernas y el cuello deben controlarse mediante acciones conscientes. Por otro lado, los latidos del corazón, la regulación de la presión arterial y la respiración son los involuntarios.

Las actividades conscientes están dirigidas por el cerebro y se originan en las áreas motoras del lóbulo frontal y la corteza motora primaria.

¡Imagínense, si no hubiera movimiento en su cuerpo, no habría vida ni alma en él!

Percepcion sensorial

Los cinco sentidos tradicionales, a saber, la vista (visión), el oído (auditivo), el olfato (olfato), el gusto (gusto) y el tacto (somatosensorial), son percibidos, procesados ​​y controlados por el cerebro.

Involucra las áreas sensoriales primarias en el cerebro. La percepción del mundo que nos rodea se desarrolla mediante la información sensorial que sintetizan estas regiones de la corteza cerebral.

Comunicación y Lenguaje

Las áreas de Broca y Wernicke se asocian principalmente con la producción y comprensión de los sonidos del habla, respectivamente.

El área de Broca está en el lóbulo frontal, mientras que el área de Wernicke está en la unión entre el lóbulo temporal y el parietal. Entonces, esta parte del cerebro lo ayuda a comunicarse con otros miembros de la sociedad.

¿Qué son las afasias no fluidas y fluidas? Estos son los trastornos del lenguaje provocados por cualquier daño o lesión en las áreas responsables de la creación y percepción de los sonidos del habla.

Procesamiento visual

¿Alguna vez pensaste en cómo tu cerebro crea una imagen visual perfecta de las cosas que ves en el mundo que te rodea? Sí, esta es la tarea asignada al lóbulo occipital del telencéfalo.

El telencéfalo es una región de su cerebro que recibe las señales visuales de la retina de su ojo a través del nervio óptico. Después del procesamiento, convierte las señales en la imagen especular del mismo objeto.

Resolución de problemas y emociones

Los seres humanos, entre todas las criaturas avanzadas de la tierra, tienen la profunda capacidad de comprender y evaluar y ofrecer una solución integral y aplicable a los problemas críticos de la vida.

También sabes que al hombre se le llama la 'bestia emocional'. Es debido a la variedad de actitudes emocionales en respuesta a diversas situaciones de la vida real. Ambas asignaciones caen bajo el dominio del lóbulo frontal de la corteza cerebral.

Sin embargo, estas características de resolución de problemas también se encuentran en algunos animales inferiores. Simplemente siguen los programas genéticos que ya están presentes en su cerebro, pero son incapaces de razonar (pensar) y planificar las tareas.

Procesamiento auditivo

La percepción, el reconocimiento y la interpretación de los estímulos, relacionados con el sentido del oído, se logran con la asistencia del lóbulo temporal.

El lóbulo temporal se extiende a lo largo de ambos hemisferios de la corteza cerebral y se encuentra debajo de la fisura lateral.

La función de esta región del cerebro estructural y funcionalmente especializada no se limita solo al procesamiento auditivo. También participa en la producción de actitudes emocionales, el almacenamiento de nuevos recuerdos, el procesamiento de la producción sensorial y la retención de recuerdos visuales.

Memoria y Aprendizaje

El hipocampo se encuentra en el lóbulo temporal del telencéfalo y se considera una de las regiones funcionalmente importantes del cerebro humano.

Desempeña un papel importante en el proceso de aprendizaje y procesamiento de la memoria. Una vez que recibe información a través de sus órganos sensoriales, se procesa en el cerebro y se almacena temporalmente en la memoria a corto plazo.

La función del lóbulo temporal medial es consolidar la información de la memoria a corto plazo a la memoria a largo plazo y realizar la navegación espacial.

Control respiratorio

¿Puede tomar la respiración bajo su mando voluntario o puede controlar y continuar la actividad mientras duerme? La respuesta a la primera parte de la pregunta es "no". La razón se explica en la segunda cláusula.

Si realmente estuviera bajo su acción deliberada, no podría respirar mientras duerme y, en consecuencia, ¡moriría!

La parte posterior del rombencéfalo, llamada bulbo raquídeo, realiza tareas involuntarias de su cuerpo, como un intercambio gaseoso.

La expansión y contracción alternativa de los músculos pulmonares, la bajada y elevación del diafragma y las actividades similares de los músculos del pecho se realizan de forma bastante automática sin siquiera pensarlo.

Regulación de los latidos del corazón

La frecuencia cardíaca o el bombeo regular de sangre con el corazón es vital para el funcionamiento general del cuerpo. Es responsable de la entrega y eliminación de los gases respiratorios y los productos del metabolismo en cada parte más pequeña de su cuerpo.

Si hay un retraso en el suministro de oxígeno y nutrientes esenciales, las células privadas comienzan a morir. Un retraso prolongado puede incluso provocar su muerte.

El bulbo raquídeo es el órgano encargado de la regulación de la frecuencia cardíaca y está compuesto por la parte inferior del tronco encefálico o el rombencéfalo.

Control de la presión arterial

El mantenimiento y la regulación de la presión arterial es una de las funciones involuntarias. Lo realiza la región medular de su cerebro que conecta las partes superiores del Sistema Nervioso Central con la médula espinal.

Mantiene la presión diastólica (mínima) y sistólica (máxima) en las arterias por debajo de los límites normales.

En el caso de que la presión arterial se eleve más allá de los límites soportables, es muy probable que sufra un ataque cardíaco, una hemorragia cerebral u otros trastornos circulatorios críticos.


¿La señal del cerebro humano de la misma tarea en diferentes momentos tiene las mismas características? - psicología

Ya sea que esté leyendo un libro, estudiando para una clase o simplemente haciendo su trabajo, la concentración juega un papel importante en cómo logramos esas tareas. De la misma manera, nuestra concentración nos permite enfocarnos claramente en la tarea que tenemos entre manos. La concentración es simplemente el proceso mental de enfocar su mente en un solo pensamiento o tarea. De alguna manera, nuestros cerebros se parecen mucho a las computadoras. Recibimos datos, procesamos los datos, de alguna manera calculamos pensamientos y verbalizamos la información. A veces, nuestra concentración no funciona de la manera que esperamos, podemos tener una respuesta más lenta de lo normal y nos frustramos. El nivel de inteligencia de una persona está ligado a su capacidad de concentración. Hay investigaciones que sugieren que el nivel de inteligencia que tiene una persona puede atribuirse a la herencia, lo que significa que puede heredar la inteligencia de sus padres. En teoría, si una persona tiene un alto nivel de concentración, es probable que su nivel de inteligencia también sea alto.

El proceso de concentración es una parte muy importante de lo que hacemos a diario. Sin la capacidad de concentrarse, los pensamientos se pueden perder y los recuerdos se desperdician. Algunos consideran que la concentración es una forma de marcar nuestro cerebro para recordar cosas y ayudar a nuestra memoria. Por ejemplo, cuando estudias para un examen, estudias concentrándote en la lectura, enfocándote en las palabras clave y en las frases y ejercicios que te ayudarán a recordar los detalles. Intelectos famosos, como Einstein, deben haber dominado esta habilidad bastante bien. Es fácil suponer que las personas muy inteligentes nacieron con un cerebro más grande o con una mayor capacidad de aprendizaje. Sin embargo, también es justo asumir que mejorar la forma en que pensamos y nos enfocamos puede, en última instancia, producir mejores habilidades de concentración. En esencia, la concentración es una habilidad que podemos mantener y mejorar para mejorarnos a nosotros mismos.

Analicemos dónde tiene lugar esta función, ya que obviamente se origina en nuestro cerebro. El cerebro está formado por miles de millones de células nerviosas, comúnmente llamadas neuronas. Básicamente, las neuronas recopilan y transmiten señales electroquímicas que evocan nuestros pensamientos y funciones motoras. La corteza cerebral es la parte del cerebro que está asociada con nuestra memoria, pensamiento, atención, conciencia y conciencia. Aquí también es donde entra en juego la concentración. Con todo lo que hacemos, se produce una cierta concentración. Si está comiendo helado, lo más probable es que esté pensando o centrándose en el sabor y la textura, y posiblemente en el hecho de que tendrá más cuando haya terminado. Cuando lee el periódico o su revista favorita, se concentra en las palabras y los detalles que dan vida a los artículos y termina con un bonito crucigrama. Al leer el texto de esta clase, está estimulando su cerebro y haciendo un esfuerzo por concentrarse.

Es interesante en un entorno de oficina cómo diferentes personas se adaptan al entorno de su entorno para realizar su trabajo. A algunas personas les resulta muy fácil concentrarse con el ruido de fondo, mientras que a otras les distrae bastante. También hay quienes prefieren estar encerrados en silencio para poder enfocarse adecuadamente. Imagínese trabajar en una oficina que consta de cubículos. Prácticamente no hay privacidad, no hay forma de ahogar el ruido del día a día, como las llamadas telefónicas de los compañeros de trabajo o los ruidos de las impresoras, faxes y engrapadoras. Sin embargo, una y otra vez escuchamos que las personas en estos entornos simplemente adaptan sus mentes y les permiten ahogar las cosas que no necesitan escuchar. Es como si todos los ruidos de fondo irrelevantes desaparecieran. ¿Nunca has estado tan absorto en tus pensamientos, tan concentrado que alguien te habla y tú simplemente no lo escuchas? Entonces, la segunda vez que te preguntan, respondes con poco entusiasmo: "¿Eh? Ni siquiera te escuché". Y están asombrados de que estuvieras casi sordo en ese momento. Miles de pensamientos cruzan literalmente por nuestras mentes todos los días, y con tanta actividad que se lleva a cabo, es difícil imaginar centrarse sólidamente en una tarea simple o un pensamiento. Para muchos, es difícil concentrarse en una tarea, y mucho menos en la multitarea. Incluso cuando estamos realizando una función física, la instrucción para realizar la tarea proviene, por supuesto, del cerebro. Si fuéramos títeres, nuestro cerebro seguramente actuaría como el titiritero de cada uno de nuestros movimientos y, en realidad, parece funcionar de esa manera.

La atención, el enfoque, el pensamiento y la concentración están interrelacionados. Sin uno, sería difícil utilizar los demás. Para concentrarse, si no puede concentrarse, simplemente no podrá prestar atención. La concentración, la atención y el enfoque implican pensamiento y, por lo tanto, se ayudan mutuamente en el proceso de pensamiento.

1. Cerebro: la parte del sistema nervioso central que incluye todos los centros nerviosos superiores, encerrados dentro del cráneo.

2. Concentración: atención exclusiva a un objeto o aplicación mental cercana.

3. Enfoque: un punto central, como de atracción, atención o actividad.

4. Corteza cerebral: la extensa capa externa de materia gris de los hemisferios cerebrales, en gran parte responsable de las funciones cerebrales superiores, incluida la sensación, el movimiento muscular voluntario, el pensamiento, el razonamiento y la memoria.

5. Mente: la conciencia humana que se origina en el cerebro y se manifiesta especialmente en el pensamiento, la percepción, la emoción, la voluntad, la memoria y la imaginación.

6. Mental: involucra la mente o un proceso intelectual.

7. Neuronas: cualquiera de las células conductoras de impulsos que constituyen el cerebro.

8. Señal electroquímica: señal transmitida por las neuronas a todo el cerebro.

9. Conciencia: un estado cognitivo de alerta en el que eres consciente de ti mismo y de tu situación.

10. Memoria: la capacidad mental de retener y revivir hechos, eventos, impresiones, etc., o de recordar y reconocer experiencias previas.

11. Pensamiento: tener una mente consciente, hasta cierto punto de razonamiento, recordar experiencias, tomar decisiones racionales, etc.

De niños, absorbemos cada detalle, cada palabra, cada situación interesante y retenemos con éxito la mayor parte de esta información. Es durante este tiempo que nuestras mentes recopilan tanta información, conscientemente yde modo subconsciente. A menudo se compara a los niños con esponjas que literalmente absorben todo lo que ven y escuchan en su entorno inmediato. Aprenden mucho a una edad temprana y lo llevan consigo como parte de los bloques de construcción a los que agregan su personalidad. características, y hábitos.

Se considera parte del éxito educativo que un niño sea capaz de concentrarse claramente. Según algunos estudios de investigación, el poder cerebral de un bebé se desarrolla dentro del útero. El cerebro está creciendo y desarrollándose durante un embarazo desde el principio. Durante este tiempo, el cerebro de un bebé crece con bastante rapidez y produce una gran cantidad de neuronas por minuto. Se cree que esto es parte de la razón por la que la mujer embarazada se fatiga, no solo porque está compartiendo nutrientes con el bebé, sino también con las células cerebrales. Es por eso que muchas mujeres embarazadas dicen que no están todas mentalmente durante un embarazo, porque su memoria y concentración parecen deteriorarse algunos días. Parece natural que el cerebro de un bebé esté creciendo y adaptándose dentro del útero, considerando que cuando nacen no solo están acostumbrados a la voz de su madre, sino que son conscientes de su entorno y del vínculo que tienen con su madre. A medida que crecen, también son conscientes de que el llanto traerá a su madre al rescate.

Cuando los niños comienzan a asistir a la escuela, algunas de sus habilidades de concentración y enfoque dependerán del entorno del aula y de si siguen o no lo que hacen los demás. A una edad temprana, muchos niños exhibirán el síndrome de "mono ve mono hacer". A medida que se adapten al entorno del aula y las diversas rutinas que se implementan, esto será un poco más fácil.

Con los niños mayores, es evidente que las habilidades para escuchar y la capacidad de atención son prácticamente inexistentes, o eso parece. En realidad, a medida que los niños crecen y se vuelven adolescentes, sus niveles de estrés aumentan, al igual que sus actividades sociales, por lo que la falta de escucha y atención se puede atribuir al entorno que los rodea. Simplemente es más difícil a esta edad. Sin embargo, en muchos casos, el estudiante promedio se enfoca y se concentra bastante bien en la escuela u otros ambientes controlados, donde la posibilidad de distracciones es menos prominente.

En un estudio realizado con 12 personas de entre 20 y 60 años, se observaron los siguientes elementos. En adultos más jóvenes: la actividad que tiene lugar en la corteza prefrontal dorsolateral, que está asociada con ciertas tareas que requieren concentración, como leer o escribir, pareció aumentar durante la tarea. Sin embargo, en los adultos mayores, la actividad en esta área pareció disminuir. Esta disminución es más evidente en los adultos mayores de 65 años o más. En general, el estudio concluyó que los adultos de mediana edad realizaron pruebas con la misma precisión que los adultos más jóvenes, y que los cambios en nuestro cerebro y las funciones cerebrales son graduales. Como estos cambios son graduales, podemos, a su vez, mejorar gradualmente nuestras habilidades de concentración.

En los adultos mayores, aunque la pérdida de memoria puede ser evidente, estas características comúnmente conocidas son únicas para cada persona. Por ejemplo, Joe Smith y Ron Johnson tienen 80 años. Sin embargo, Joe vive solo en su propia casa, paga sus cuentas con regularidad, corta el césped todas las semanas, lee con frecuencia y juega al ajedrez con regularidad. Joe también dirige un club de lectura que suele albergar en su casa. Ron es un buen amigo de Joe, pero vive en un centro de retiro de vida asistida. Ron no tiene que trabajar en el jardín o mantenerse al día con su apartamento en su tiempo libre, charla con amigos, camina con la ayuda de un bastón y va a terapia con regularidad para su reciente reemplazo de cadera. Hay tantos factores que afectan la forma en que envejecemos y que, en algunos aspectos, tendrán un efecto en la forma en que envejecemos nuestras mentes. Quizás Joe comía muy sano y hacía ejercicio con regularidad, o simplemente heredó geniales geniales. Ron pudo haber estado muy sano también, pero quizás no era tan activo, física y mentalmente. Las investigaciones sugieren que dentro del grupo de edad de 15 a 30 años, existen rasgos estereotipados comunes que describen a los estadounidenses mayores entre este grupo.


Este es tu cerebro en DREADDs

La frase "drogas para el control de la mente" probablemente evoca algunas imágenes aterradoras, pero en el caso de la quimiogenética, podría ser motivo de regocijo. Estudiar el cerebro con cualquier nivel de detalle útil requiere una orientación precisa de los circuitos neuronales, una tarea nada fácil en un órgano que es básicamente una maraña de células largas e interconectadas, células que envían y reciben una profusión de señales eléctricas y químicas.

La idea detrás de la quimiogenética es simple: crear un receptor que reaccione solo a un ligando farmacológicamente inerte, que no haga nada en el cuerpo. Luego, inserte ese receptor en las neuronas particulares en las que desea influir. Una vez que las células comienzan a expresar el receptor, inyecte el ligando para activar las neuronas o inhibirlas, según su receptor, sin efectos no deseados en otras células.

Los receptores que ejemplifican el principio quimiogenético se denominan DREADD (receptores de diseño activados exclusivamente por fármacos de diseño). Los DREADD eluden el problema principal de los efectos fuera del objetivo, porque no se encuentran en ninguna parte del cuerpo, excepto donde los coloca el investigador. La "droga de diseño" que los activa suele ser la clozapina.norte-óxido, o CNO - o más bien el metabolito CNO clozapina. CNO tiene efectos secundarios mínimos en las dosis utilizadas para la quimiogenética.

Altibajos quimiogenéticos

Los pioneros de DREADD incluyen a Bryan L.Roth, M.D., Ph.D., profesor de la División de Biología Química y Química Medicinal y del Departamento de Farmacología de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill. El primer artículo del Dr. Roth relacionado con DREADD languideció durante dos años antes de que finalmente se publicara en 2005. En ese momento, la tecnología DREADD era una curiosidad, pero ahora está en todas partes.

“Nadie entendió para qué podría ser útil esto”, se ríe. "Es bueno ver que ha resultado ser una tecnología útil".

En estos días, el Dr. Roth y su equipo están trabajando para desarrollar nuevos DREADD, con miras a la multiplexación. "Nos gustaría poder, si se van a usar en humanos, tener DREADD activadores e inhibidores en la misma neurona", dice el Dr. Roth. Esta podría ser una forma de ejercer un control preciso sobre el tratamiento de los síntomas que varían a lo largo del día o de manipular múltiples circuitos neuronales simultáneamente.

La quimiogenética no es la única forma de apuntar a las células cerebrales para la activación: la optogenética permite a los investigadores activar o suprimir la actividad neuronal con pulsos de luz. Las dos tecnologías tienen diferentes fortalezas, señala el Dr. Roth, y muchos investigadores usan ambas.

“La optogenética es muy buena si quieres un control de milisegundos”, señala. La quimiogenética, por otro lado, es más fácil de usar y más práctica para activar poblaciones más grandes de neuronas. En lugar de implantar fibras de luz por todo el cerebro, "puede poner el fármaco en el agua potable", explica el Dr. Roth, y activar simultáneamente todas las células que contienen su DREADD, donde sea que se encuentren.

Una vez que la utilidad de los DREADD se hizo popular en la comunidad de las neurociencias, el laboratorio del Dr. Roth se inundó de solicitudes de plásmidos. Para mantenerse al día con la demanda, los depositó en Addgene, una organización sin fines de lucro cuya misión es facilitar que los laboratorios compartan herramientas de ingeniería genética.

Recursos quimiogenéticos

“Cualquier científico de cualquier parte del mundo puede enviarnos su ADN”, dice Leila Haery, Ph.D., científica investigadora principal de Addgene. "Nuestro papel es minimizar el tiempo que los científicos dedican a la logística de compartir sus materiales".

Addgene ofrece muchos plásmidos quimiogenéticos unidos a diferentes promotores, que pueden usarse para diferentes tipos de experimentos. Addgene no crea nuevas construcciones, comenta el Dr. Haery, pero los investigadores a menudo solicitarán plásmidos, pegarán un nuevo promotor en el DREADD y luego enviarán el plásmido resultante a Addgene para que pueda ser compartido con otros.

Después de obtener un plásmido de Addgene, los investigadores se enfrentan al desafío de introducirlo en las neuronas específicas que desean estudiar. Para ayudar a agilizar este proceso, Addgene ofrece algunas construcciones como preparaciones virales.

“Uno de los principales desafíos del uso de virus es que se administren a células específicas”, señala el Dr. Haery. "Es muy importante saber que estás activando o inhibiendo neuronas específicas".

Con este fin, Addgene ofrece muchos de los plásmidos quimiogenéticos en varios serotipos virales diferentes. "Tenemos algunos serotipos diferentes que tienen tropismo para tipos celulares específicos", señala el Dr. Haery. De los aproximadamente 100 plásmidos quimiogenéticos que Addgene ofrece actualmente, la organización empaqueta 12 de ellos en virus, y cada uno de ellos podría estar disponible en hasta cinco serotipos.

Otra forma común de controlar qué células expresan DREADD es mediante el promotor que impulsa su expresión. Ciertos promotores se dirigen a células gliales, por ejemplo, o neuronas particulares. Addgene está ampliando la selección de promotores disponibles para solicitar, a medida que los investigadores crean nuevas construcciones de plásmidos y las vuelven a depositar con Addgene. Finalmente, algunos plásmidos disponibles a través de Addgene contienen construcciones dependientes de Cre, lo que limita la expresión de DREADD a las células que expresan Cre recombinasa.


Los recursos de quimiogenética proporcionados por Addgene incluyen este esquema, que muestra varios receptores quimiogenéticos y sus propiedades de señalización. Se han modificado genéticamente cinco tipos de receptores quimiogenéticos (Rq, hM3Dq, GsD, hM4Di y KORD) a partir de receptores muscarínicos u opioides (como lo indican los colores correspondientes en la leyenda). Cada receptor es activado específicamente por su ligando (clozapina-N-óxido [CNO] o salvinorina B [SALB]) para enviar señales a los efectores posteriores (arrestina-2 / arrestina-3 o subunidades de proteína G a Gaq, Gas o Gai). La activación de estos efectores conduce a salidas fisiológicas únicas, como se enumera. Algunos receptores señalizan canónicamente a través de proteínas G (caja amarilla), mientras que otros han sido diseñados para señalizar a través de vías no canónicas (caja verde).

Montando la ola (sonora)

Todos estos métodos (serotipos virales, promotores y construcciones dependientes de Cre) pueden funcionar juntos para garantizar que el receptor quimiogenético se exprese en un tipo celular específico. Pero, ¿qué hay de apuntar a un área particular del cerebro? Actualmente, el mejor método es inyectar el virus directamente en el cerebro, que funciona bien pero puede causar daños.

Mikhail G. Shapiro, Ph.D., profesor asistente de ingeniería química en el Instituto de Tecnología de California, recurrió al ultrasonido para desarrollar una técnica no invasiva para introducir virus en regiones específicas del cerebro. Primero, se envían burbujas del tamaño de un micrómetro al torrente sanguíneo, luego se aplica un ultrasonido enfocado al área de interés, con precisión milimétrica.

"Dondequiera que estemos aplicando el ultrasonido, estas burbujas se expanden y contraen con la onda del ultrasonido", dice el Dr. Shapiro. A medida que las burbujas chocan contra la barrera hematoencefálica, explica, crean una abertura que permite que las partículas del virus ingresen al cerebro, justo en ese lugar.

“Esto nos permite especificar, en función de dónde estamos aplicando el ultrasonido, qué parte espacial del cerebro queremos modular”, continúa el Dr. Shapiro. La barrera hematoencefálica permanece abierta alrededor de dos horas y durante ese tiempo se pueden inyectar en el torrente sanguíneo vectores virales que contienen elementos quimiogenéticos.

La técnica, que Shapiro llama "quimiogenética dirigida acústicamente", o ATAC, elimina ciertas desventajas de establecer un sistema quimiogenético en animales con cerebros más grandes. Por ejemplo, el estudio de una región más grande del cerebro, o de múltiples regiones diferentes, generalmente implica docenas de inyecciones de virus y perforaciones repetidas del cerebro. Con ATAC, el haz de ultrasonido se puede cambiar fácilmente para apuntar a las áreas deseadas. “Desde el punto de vista tanto de la conveniencia como de cuánto está perturbando el cerebro a través del abordaje quirúrgico, creo que esta técnica no invasiva tiene alguna ventaja”, afirma el Dr. Shapiro.

Algún día, la técnica podría facilitar el tratamiento de enfermedades neurológicas, en particular las que se originan en un área definida del cerebro. “Un ejemplo de eso es la epilepsia”, señala el Dr. Shapiro. "Para algunos pacientes, puede identificar un foco de convulsión, una región del cerebro donde se originan las convulsiones".

En lugar de administrar medicamentos, que podrían afectar todo el cerebro, o recurrir a la cirugía para extirpar solo esa parte del cerebro, se podría usar el ultrasonido para guiar la administración de un tratamiento quimiogenético, sugiere el Dr. Shapiro. La administración guiada por ultrasonido podría permitir que se apaguen neuronas específicas, de forma completamente no invasiva.


En el Instituto de Tecnología de California, los investigadores Jerzy O. Szablowski, Ph.D., y Mikhail G. Shapiro, Ph.D., están desarrollando quimiogenética dirigida acústicamente. Este enfoque comienza con el uso de ultrasonido enfocado para abrir la barrera hematoencefálica en una región geográfica específica del cerebro. Los virus que transportan elementos quimiogenéticos pueden ingresar al cerebro e instalar receptores diseñados que responden a un fármaco quimiogenético y activan las vías neuronales.

Descubriendo los mecanismos de la adicción

Las herramientas quimiogenéticas también brindan un impulso real a los investigadores que estudian problemas neurológicos complejos, como la adicción. Jun Wang, M.D., Ph.D., profesor asistente en el Departamento de Neurociencia y Terapéutica Experimental de la Facultad de Medicina Texas A & # 038M, utiliza la quimiogenética en ratones para controlar los circuitos neuronales implicados en la dependencia del alcohol.

La neurología del alcoholismo es, por supuesto, compleja. La mayoría de las personas que se entregan al alcohol no se vuelven adictas, y ha sido difícil identificar las características cerebrales que conducen a la adicción. "La idea general es que beber demasiado alcohol cambia tu cerebro", dice el Dr. Wang. Algunos de estos cambios aumentan los antojos y provocan alcoholismo. Esos son los cambios que quiere estudiar. “Queremos encontrar una manera de revertir o normalizar específicamente la actividad en este circuito”, señala.

El Dr. Wang y sus colegas insertaron DREADD en neuronas en ratones que expresan ciertos receptores de dopamina. El sistema de recompensa del cerebro se basa en dos vías opuestas, que trabajan una contra la otra para entrenar al animal a buscar experiencias placenteras, como la comida, y evitar las desagradables.

El Dr. Wang se refiere a las células que expresan el receptor de dopamina D1, las células que son activadas por la dopamina, como neuronas "activas". Se refiere a las células que expresan el receptor D2, las células que son inhibidas por la dopamina, como neuronas "no-go". Mediante el uso de la quimiogenética, los investigadores pueden apuntar específicamente al circuito de ir o no ir. “Ésta es la belleza de la quimiogenética”, declara el Dr. Wang.

Al activar solo las neuronas D2, no-go, el equipo del Dr. Wang hizo que los animales bebieran menos alcohol. Apagar las neuronas D1 tuvo el mismo efecto, reduciendo la cantidad de alcohol que consumieron los ratones. Por el contrario, excitar las neuronas D1 o inhibir las neuronas D2 incitó a los ratones a beber más alcohol.

Sin embargo, el efecto es de corta duración. “Esta no es una cura para el alcoholismo”, advirtió el Dr. Wang. Aún así, prevé la posibilidad de que la terapia quimiogenética algún día pueda ayudar a aliviar los antojos de alcohol cuando están en su peor momento.


Los científicos demuestran la comunicación directa cerebro-cerebro en humanos

Los seres humanos hemos desarrollado un rico repertorio de comunicación, desde los gestos hasta los lenguajes sofisticados. Todas estas formas de comunicación vinculan a individuos separados de tal manera que pueden compartir y expresar sus experiencias singulares y trabajar juntos en colaboración. En un nuevo estudio, la tecnología reemplaza al lenguaje como medio de comunicación al vincular directamente la actividad de los cerebros humanos. La actividad eléctrica del cerebro de un par de sujetos humanos se transmitió al cerebro de un tercer individuo en forma de señales magnéticas, que transmitían una instrucción para realizar una tarea de una manera particular. Este estudio abre la puerta a nuevos y extraordinarios medios de colaboración humana y, al mismo tiempo, difumina las nociones fundamentales sobre la identidad y la autonomía individuales de formas desconcertantes.

La comunicación directa cerebro a cerebro ha sido un tema de gran interés durante muchos años, impulsada por motivos tan diversos como el entusiasmo futurista y la exigencia militar. En su libro Más allá de los límites uno de los líderes en el campo, Miguel Nicolelis, describió la fusión de la actividad del cerebro humano como el futuro de la humanidad, la siguiente etapa en la evolución de nuestra especie y rsquo. (Nicolelis sirve en Científico americano&rsquos board of advisers.) He has already conducted a study in which he linked together the brains of several rats using complex implanted electrodes known as brain-to-brain interfaces. Nicolelis and his co-authors described this achievement as the first &ldquoorganic computer&rdquo with living brains tethered together as if they were so many microprocessors. The animals in this network learned to synchronize the electrical activity of their nerve cells to the same extent as those in a single brain. The networked brains were tested for things such as their ability to discriminate between two different patterns of electrical stimuli, and they routinely outperformed individual animals.

If networked rat brains are &ldquosmarter&rdquo than a single animal, imagine the capabilities of a biological supercomputer of networked human brains. Such a network could enable people to work across language barriers. It could provide those whose ability to communicate is impaired with a new means of doing so. Moreover, if the rat study is correct, networking human brains might enhance performance. Could such a network be a faster, more efficient and smarter way of working together?

The new paper addressed some of these questions by linking together the brain activity of a small network of humans. Three individuals sitting in separate rooms collaborated to correctly orient a block so that it could fill a gap between other blocks in a video game. Two individuals who acted as &ldquosenders&rdquo could see the gap and knew whether the block needed to be rotated to fit. The third individual, who served as the &ldquoreceiver,&rdquo was blinded to the correct answer and needed to rely on the instructions sent by the senders.

The two senders were equipped with electroencephalographs (EEGs) that recorded their brain&rsquos electrical activity. Senders were able to see the orientation of the block and decide whether to signal the receiver to rotate it. They focused on a light flashing at a high frequency to convey the instruction to rotate or focused on one flashing at a low frequency to signal not to do so. The differences in the flashing frequencies caused disparate brain responses in the senders, which were captured by the EEGs and sent, via computer interface, to the receiver. A magnetic pulse was delivered to the receiver using a transcranial magnetic stimulation (TMS) device if a sender signaled to rotate. That magnetic pulse caused a flash of light (a phosphene) in the receiver&rsquos visual field as a cue to turn the block. The absence of a signal within a discrete period of time was the instruction not to turn the block.

After gathering instructions from both senders, the receiver decided whether to rotate the block. Like the senders, the receiver was equipped with an EEG, in this case to signal that choice to the computer. Once the receiver decided on the orientation of the block, the game concluded, and the results were given to all three participants. This provided the senders with a chance to evaluate the receiver&rsquos actions and the receiver with a chance to assess the accuracy of each sender.

The team was then given a second chance to improve its performance. Overall, five groups of individuals were tested using this network, called the &ldquoBrainNet,&rdquo and, on average, they achieved greater than 80 percent accuracy in completing the task.

In order to escalate the challenge, investigators sometimes added noise to the signal sent by one of the senders. Faced with conflicting or ambiguous directions, the receivers quickly learned to identify and follow the instructions of the more accurate sender. This process emulated some of the features of &ldquoconventional&rdquo social networks, according to the report.

This study is a natural extension of work previously done in laboratory animals. In addition to the work linking together rat brains, Nicolelis&rsquos laboratory is responsible for linking multiple primate brains into a &ldquoBrainet&rdquo (not to be confused with the BrainNet discussed above), in which the primates learned to cooperate in the performance of a common task via brain-computer interfaces (BCIs). This time, three primates were connected to the same computer with implanted BCIs and simultaneously tried to move a cursor to a target. The animals were not directly linked to each other in this case, and the challenge was for them to perform a feat of parallel processing, each directing its activity toward a goal while continuously compensating for the activity of the others.

Brain-to-brain interfaces also span across species, with humans using noninvasive methods similar to those in the BrainNet study to control cockroaches or rats that had surgically implanted brain interfaces. In one report, a human using a noninvasive brain interface linked, via computer, to the BCI of an anesthetized rat was able to move the animal&rsquos tail. While in another study, a human controlled a rat as a freely moving cyborg.

The investigators in the new paper point out that it is the first report in which the brains of multiple humans have been linked in a completely noninvasive manner. They claim that the number of individuals whose brains could be networked is essentially unlimited. Yet the information being conveyed is currently very simple: a yes-or-no binary instruction. Other than being a very complex way to play a Tetris-like video game, where could these efforts lead?

The authors propose that information transfer using noninvasive approaches could be improved by simultaneously imaging brain activity using functional magnetic resonance imaging (fMRI) in order to increase the information a sender could transmit. But fMRI is not a simple procedure, and it would expand the complexity of an already extraordinarily complex approach to sharing information. The researchers also propose that TMS could be delivered, in a focused manner, to specific brain regions in order to elicit awareness of particular semantic content in the receiver&rsquos brain.

Meanwhile the tools for more invasive&mdashand perhaps more efficient&mdashbrain interfacing are developing rapidly. Elon Musk recently announced the development of a robotically implantable BCI containing 3,000 electrodes to provide extensive interaction between computers and nerve cells in the brain. While impressive in scope and sophistication, these efforts are dwarfed by government plans. The Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) has been leading engineering efforts to develop an implantable neural interface capable of engaging one million nerve cells simultaneously. While these BCIs are not being developed specifically for brain&ndashto-brain interfacing, it is not difficult to imagine that they could be recruited for such purposes.

Even though the methods used here are noninvasive and therefore appear far less ominous than if a DARPA neural interface had been used, the technology still raises ethical concerns, particularly because the associated technologies are advancing so rapidly. For example, could some future embodiment of a brain-to-brain network enable a sender to have a coercive effect on a receiver, altering the latter&rsquos sense of agency? Could a brain recording from a sender contain information that might someday be extracted and infringe on that person&rsquos privacy? Could these efforts, at some point, compromise an individual&rsquos sense of personhood?

This work takes us a step closer to the future Nicolelis imagined, in which, in the words of the late Nobel Prize&ndashwinning physicist Murray Gell-Man, &ldquothoughts and feelings would be completely shared with none of the selectivity or deception that language permits.&rdquo In addition to being somewhat voyeuristic in this pursuit of complete openness, Nicolelis misses the point. One of the nuances of human language is that often what is not said is as important as what is. The content concealed in privacy of one&rsquos mind is the core of individual autonomy. Whatever we stand to gain in collaboration or computing power by directly linking brains may come at the cost of things that are far more important.

¿Eres un científico que se especializa en neurociencia, ciencia cognitiva o psicología? ¿Y ha leído un artículo reciente revisado por pares sobre el que le gustaría escribir? Please send suggestions to Mind Matters editor Gareth Cook. Gareth, a Pulitzer prize-winning journalist, is the series editor of Best American Infographics and can be reached at garethideas AT gmail.com or Twitter @garethideas.

SOBRE LOS AUTORES)

Robert Martone is a research scientist with expertise in neurodegeneration. He spends his free time kayaking and translating Renaissance Italian literature.


How different are men's and women's brains?

In a world of equal rights, pay gaps, and gender-specific toys, one question remains central to our understanding of the two biological sexes: are men’s and women’s brains wired differently? If so, how, and how is that relevant?

Share on Pinterest How might differences in the brains of men and women affect their behavior and cognition? We investigate.

There are many studies that aim to explore the question of underlying differences between the brains of men and women. But the results seem to vary wildly, or the interpretations given to the main findings are in disagreement.

In existing studies, researchers have looked at any physiological differences between the brains of men and women. They then studied patterns of activation in the brains of participants of both sexes to see if men and women relate to the same external stimuli and cognitive or motor tasks in the same way.

Finally, the question that emerges is: do any of these differences affect the way in which men and women perform the same tasks? And do such differences affect men versus women’s susceptibility to different brain disorders?

Often, there are no clear-cut answers, and scientists tend to disagree on some of the most basic aspects – such as whether there are any notable physiological differences between the brains of men and women.

In this article, we look at some of the more recent studies dealing with these questions and give you an overview of where current research stands.

Increasingly, online articles and popular science books appeal to new scientific studies to deliver quick and easy explanations of “why men are from Mars and women come from Venus,” to paraphrase a well-known bestseller about heterosexual relationship management.

One such example is a book from the Gurian Institute, which emphasizes that baby girls and boys should be treated differently because of their underlying neurological differences. Non-differentiated child-rearing, the authors suggest, may ultimately be unhealthy.

Cars for boys, teddies for girls?

Dr. Nirao Shah, who is a professor of psychiatry and behavioral sciences at Stanford University in California, also suggests that there are some basic “behaviors [that] are essential for survival and propagation,” related to reproduction and self-preservation, that are different in men and women.

These, he adds, are “innate rather than learned […] [in animals] so the circuitry involved ought to be developmentally hardwired into the brain. These circuits should differ depending on which sex you’re looking at.”

Share on Pinterest A study on rhesus monkeys showed that males preferred “wheeled toys,” whereas females leaned toward “plush toys.”

Some examples brought to bear on these “innate differences” often come from studies on different primates, such as rhesus monkeys . One experiment offered male and female monkeys traditionally “girly” (“plush”) or “boyish” (“wheeled”) toys and observed which kinds of toys each would prefer.

This team of researchers found that male rhesus monkeys appeared to naturally favor “wheeled” toys, whereas the females played predominantly with “plush” toys.

This, they argued, was a sign that “boys and girls [may] prefer different physical activities with different types of behaviors and different levels of energy expenditure.”

Similar findings have been reported by researchers from the United Kingdom about boys and girls between 9 and 32 months old – a period when, some researchers suggest, the children are too young to form gender stereotypes.

Apparent differences in preferences have been explained through a differential hardwiring in the female versus male brain. Yet, criticisms of this perspective also abound.

Refuting studies in monkeys, some specialists argue that, no matter how similar to human beings from a biological point of view, monkeys and other animals are still not human, and guiding our understanding of men and women by the instincts of male and female animals is erroneous.

As for studies on infants and young children, researchers often identify pitfalls. Boys and girls, some argue, can already develop gender stereotypes by age 2, and their taste for “girly” or “boyish” toys may be influenced by how their parents socialize them, even if the parents themselves are not always aware of perpetuating stereotypes.

The perspective that “gendered” preferences can be explained through hormonal activity and differences in the brains of men and women remains, therefore, controversial.

Still, there are a number of studies that pinpoint different patterns of activation in the brains of men versus women given the same task, or exposed to the same stimuli.

Navegación

One such study evaluated sex-specific brain activity in the context of visuospatial navigation . The researchers used functional MRI (fMRI) to monitor how men’s and women’s brains responded to a maze task.

In their given activity, participants of both sexes had to find their way out of a complex virtual labyrinth.

It was noted that in men, the left hippocampus – which has been associated with context-dependent memory – lit up preferentially.

In women, however, the areas activated during this task were the right posterior parietal cortex , which is associated with spatial perception, motor control, and attention, and the right prefrontal cortex, which has been linked to episodic memory.

Another study discovered “rather robust differences” between resting brain activity in men and in women. When the brain is in a resting state, it means that it is not responding to any direct tasks – but that doesn’t mean it isn’t active.

Scanning a brain “ at rest ” is meant to reveal any activity that is “intrinsic” to that brain, and which happens spontaneously.

When looking at the differences between male and female brains “at rest,” the scientists saw a “complex pattern, suggesting that several differences between males and females in behavior might have their sources in the activity of the resting brain.”

What those differences in behaviour might amount to, however, is a matter of debate.

Social cues

An experiment targeting men’s and women’s response to perceived threat, for instance, highlighted a better evaluation of threat on the part of women.

The study, which used fMRI to scan the brain activity of teenagers and adults of both sexes, found that adult women had a strong neural response to unambiguous visual threat signals, whereas adult men – and adolescents of both sexes – exhibited a much weaker response.

Last year, Noticias médicas hoy also reported on a study that pointed to different patterns of cooperation in men and women, with possible underlying neural explanations.

Groups of male-male, female-female, and female-male couples were observed as they performed the same simple task involving cooperation and synchronization.

Overall, same-sex pairs did better than opposite sex pairs. But interbrain coherence – that is, the relative synchronization of neural activity in the brains of a pair performing a cooperative task – was observed in different locations in the brains of male-male versus female-female subjects.

Another study using fMRI also emphasized significant differences between how the brains of men and women organize their activity. There are different activation patterns in the brain networks of males and females, the researchers explain, which correlate with substantial differences in the behavior of men and of women.

Different activation patterns, but what does that mean?

A more recent study, however, disagrees that there are any fundamental functional differences, though the methodology of this research has been questioned. The authors of this work analyzed the MRI scans of more than 1,400 human brains, sourced from four different datasets.

Their findings suggest that, whatever physiological differences may exist between the brain of men and of women, they do not indicate underlying, sex-specific patterns of behaviour and socialization.

The volumes of white and gray matter in brains of people pertaining to both sexes do not differ significantly, the study found.

Also, the scientists pointed out that “most humans possess a mosaic of personality traits, attitudes, interests, and behaviors,” consistent with individual physiological traits, and inconsistent with a dualistic view of “maleness” and “femaleness.”

“ The lack of internal consistency in human brain and gender characteristics undermines the dimorphic [dualistic] view of human brain and behavior […] Specifically, we should shift from thinking of brains as falling into two classes, one typical of males and the other typical of females, to appreciating the variability of the human brain mosaic.”

That being said, many scientists continue to point toward evidence that the distinct physiological patterns of male and female brains lead to a differentiated susceptibility to neurocognitive diseases, as well as other health-related problems.

One recent study covered by MNT, for instance, suggests that microglia – which are specialized cells that belong to the brain’s immune system – are more active in women, meaning that women are more exposed to chronic pain than men.

Yet another analysis of brain scans for both sexes suggested that women show higher brain activity in more regions of the brain than men.

According to the researchers, this heightened activation – especially of the prefrontal cortex and of the limbic regions, tied with impulse control and mood regulation – means that women are more susceptible to mood disorders such as depression and anxiety.

‘Male-biased’ and ‘female-biased’ conditions

A meta-analysis of studies related to sex-based differences in the brain confirms that men and women are susceptible to largely different brain disorders.

“ Examples of male-biased conditions include autism, attention deficit/hyperactivity disorder, conduct disorder, specific language impairment, Tourette syndrome, and dyslexia, and examples of female-biased conditions include depression, anxiety disorder, and anorexia nervosa.”

The authors suggest that it is important to take into account physiological differences in order to enhance preventive approaches and treatments.

An earlier study had also noted differentiated patterns of susceptibility to brain disorders between sexes, yet it also acknowledged some significant limitations.

First, the authors said, many previous studies did not manage to recruit similar numbers of participants of each sex, which may have led to gender bias. Additionally, they explained, “because women may seek treatment more than men, it may be easier for a researcher to recruit females.”

“Both of these factors may lead to a patient sample predisposed to an uneven gender distribution,” the authors admit, but their conclusion remains firm.

“[G]ender matching is essential in clinical functional imaging studies, and supports the idea of exploring male and female populations as distinct groups,” the scientists urge, citing the wealth of studies that point to the same interpretation.

So, are brain differences fundamental to how men and women function? The answer is maybe. While so many studies noted different activation patterns in the brain, these did not necessarily amount to differences in the performance of given tasks.

At the same time, from a healthcare perspective, it may be important to take sex-based differences into account, so as to devise the best possible treatment plans for different individuals.


Introducción

Many of the greatest contemporary technological developments have centered on advancing human communication. From the telegraph to the Internet, the primary utility of these game-changing innovations has been to increase the range of audiences that an individual can reach.

However, most current methods for communicating are still limited by the words and symbols available to the sender and understood by the receiver. Even when they include non-verbal content (as in the case of visual and auditory information), communication constraints can be severe. A great deal of the information that is available to our brain is not introspectively available to our consciousness, and thus cannot be voluntarily put in linguistic form. For instance, knowledge about one’s own fine motor control is completely opaque to the subject [1], and thus cannot be verbalized. As a consequence, a trained surgeon or a skilled violinist cannot simply “tell” a novice how to exactly position and move the fingers during the execution of critical hand movements. But even knowledge that is introspectively available can be difficult to verbalize. Brilliant teachers may struggle to express abstract scientific concepts in language [2], and everyone is familiar with the difficulty of putting one’s own feelings into words. Even when knowledge can be expressed in words, one might face the hurdle of translating between the many existing spoken human languages. Can information that is available in the brain be transferred directly in the form of the neural code, bypassing language altogether? We explore this idea in the rest of this article.

The idea of direct brain-to-brain communication could potentially be achieved using a Brain-to-Brain Interface (BBI) [3]–[5]. A BBI rests on two pillars: the capacity to read (or “decode”) useful information from neural activity and the capacity to write (or “encode”) digital information back into neural activity. In recent years, we have witnessed incredible progress in these two capabilities with the development of Brain-Computer Interfaces, or BCIs [6], [7]. BCI researchers have demonstrated the possibility of decoding motor [8], visual [9] and even conceptual information [10] from neural activity via a range of recording techniques such as implanted electrodes [8], electrocorticography (ECoG, e.g., [11]), electroencephalography (EEG, e.g., [12]), functional MRI (e.g., [13]), and magnetoencephalography (MEG, e.g., [14]). A variety of stimulation techniques also exist that permit users to encode digital information into neural activity using implanted electrodes [15], [16], transcranial magnetic stimulation, (TMS, [17]) and focused ultrasound (FUS, [18]). Prominent examples of BCIs that use stimulation include the cochlear implant [15] and deep brain stimulators [16].

Given these advances in BCIs, two recent efforts have addressed the question of whether direct brain-to-brain communication is possible with the technology we have today. Pais-Vieira and colleagues [3] explored the possibility of directly connecting the brains of two awake and behaving rats. In their experiment, cortical microelectrode arrays recorded the neural activity of “encoder” rats performing either a motor task or a tactile stimulation task, and guided the stimulation of motor and sensory areas in the brains of “decoder” rats. Because the actions of “decoder” rats mimicked those of the original “encoder” rats, the authors concluded that information had to have been transferred between their brains. An alternative BBI was proposed by Yoo and colleagues [5], who successfully demonstrated the transmission of information from a human brain to a rat brain. In this case, visual evoked potentials in the human brain were recorded with EEG and translated into FUS-based stimulation of the part of motor cortex that controlled the tail of the anesthetized rat.

Both of these BBIs rely on stimulation technologies that are either invasive or experimental in humans, and thus are currently confined to animal models. In this paper, we report results from the first non-invasive BBI that can be safely applied to humans. Specifically, we show that it is possible to use EEG to decode motor intentions from a “sender” brain, and TMS to deliver an equivalent motor command to the motor cortex of a “receiver” brain, allowing the receiver to perform the hand movement that was intended by the sender. To test the feasibility and applicability of this procedure, a task was designed that required cooperative information sharing between pairs of participants along the BBI. The rest of the article describes the BBI in detail and presents in-depth results from 6 human participants who played the role of either sender or receiver of information in the BBI. Results from the first demonstration of this BBI were announced in an online report in August 2013 [19].


Brain makes decisions before you even know it

Brain activity predicts decisions before they are consciously made.

Your brain makes up its mind up to ten seconds before you realize it, according to researchers. By looking at brain activity while making a decision, the researchers could predict what choice people would make before they themselves were even aware of having made a decision.

The work calls into question the ‘consciousness’ of our decisions and may even challenge ideas about how ‘free’ we are to make a choice at a particular point in time.

“We think our decisions are conscious, but these data show that consciousness is just the tip of the iceberg,” says John-Dylan Haynes, a neuroscientist at the Max Planck Institute for Human Cognitive and Brain Sciences in Leipzig, Germany, who led the study.

“The results are quite dramatic,” says Frank Tong, a neuroscientist at Vanderbilt University in Nashville, Tennessee. Ten seconds is "a lifetime” in terms of brain activity, he adds.

Haynes and his colleagues imaged the brains of 14 volunteers while they performed a decision-making task. The volunteers were asked to press one of two buttons when they felt the urge to. Each button was operated by a different hand. At the same time, a stream of letters were presented on a screen at half-second intervals, and the volunteers had to remember which letter was showing when they decided to press their button.

When the researchers analysed the data, the earliest signal the team could pick up started seven seconds before the volunteers reported having made their decision. Because of there is a delay of a few seconds in the imaging, this means that the brain activity could have begun as much as ten seconds before the conscious decision. The signal came from a region called the frontopolar cortex, at the front of the brain, immediately behind the forehead.

This area may well be the brain region where decisions are initiated, says Haynes, who reports the results online in Neurociencia de la naturaleza 1 .

The next step is to speed up the data analysis to allow the team to predict people's choices as their brains are making them.

The results build on some well-known work on free will done in the 1980s by the late neurophysiologist Benjamin Libet, then at the University of California, San Francisco. Libet used a similar experimental set-up to Haynes, but with just one button and measuring electrical activity in his subjects' brains. He found that the regions responsible for movement reacted a few hundred milliseconds before a conscious decision was made.

But Libet's study has been criticized in the intervening decades for its method of measuring time, and because the brain response might merely have been a general preparation for movement, rather than activity relating to a specific decision.

Haynes and his team improved the method by asking people to choose between two alternatives — left and right. Because moving the left and right hands generates distinct brain signals, the researchers could show that activity genuinely reflected one of the two decisions.

But the experiment could limit how ‘free’ people’s choices really are, says Chris Frith, who studies consciousness and higher brain function at University College London. Although subjects are free to choose when and which button to press, the experimental set-up restricts them to only these actions and nothing more, he says. “The subjects hand over their freedom to the experimenter when they agree to enter the scanner," he says.

What might this mean, then, for the nebulous concept of free will? If choices really are being made several seconds ahead of awareness, “there’s not much space for free will to operate”, Haynes says.

But results aren't enough to convince Frith that free will is an illusion. “We already know our decisions can be unconsciously primed,” he says. The brain activity could be part of this priming, as opposed to the decision process, he adds.

Part of the problem is defining what we mean by ‘free will’. But results such as these might help us settle on a definition. It is likely that “neuroscience will alter what we mean by free will”, says Tong.


Boost your autopilot

In the experiment, people whose DMN structures are more strongly connected also performed better in the card game. In these people, the various regions fired together more consistently, showing more coordinated activity. This suggests that the more strongly a person’s DMN is linked up, the more effective their autopilot mode, says Vatansever.

It may be possible to train yourself to have a better autopilot mode. In other studies, people have been able to control their brain activity when shown real-time scans of their brains. Similar “neurofeedback” training may enable people to boost their brain’s autopilot mode, allowing them to perform better on tasks without directly focusing on them, says Paul Stillman at Ohio State University.


Brain-to-Brain Communication Is Closer Than You Think

When neuroscientists used a monkey's thoughts to control computers, it was a huge breakthrough in mind-machine research. But harnessing brain waves has become even more complex now that humans are the subjects. Recently, researchers used the thoughts of one human's brain to control the physical actions of another. En realidad. As a panel of experts explained at the World Science Festival this week, brain-to-brain linkups are just getting started.

The field got its start in 1998 in the lab of Miguel Nicolelis, a Brazilian researcher working at Duke University. Before Nicolelis started experimenting with the brain, scientists were measuring the electrical output of a single neuron at a time. But Nicolelis and his colleagues began recording information from the brains of rats, where they discovered that to make their bodies move, rat brains would fire 48 neurons at a time. Believing that they could advance their understanding further, Nicolelis and his team then turned to monkeys.

They recorded 100 neurons firing at once in the brain of a monkey. Believing they might be able to take this data and use it to perform a task, the team connected a probe into the area of the monkey's brain that controlled for arm movement. Then they gave the monkey a game to play: Using a joystick, the monkey moved a dot around on a screen until it entered a circle in the center. When the monkey moved the dot into the correct location, she received a reward of juice. Once they recorded the brain patterns that resulted from the movement, the team took the joystick away. The monkey was now able to move the dot around simply by imagining it move.

"Somehow she figured out that she could just imagine. She realized this is the prototype of a free lunch," Nicolelis said. The innovation was the grandfather of the brain-to-brain interface. "This was the first time a primate's brain liberated itself from the body," he said.

After Nicolelis's study, other neuroscientists began taking the work to humans. In 2013, Chantel Prat and Andrea Stocco, both researchers at the University of Washington Institute for Learning and Brain Sciences, wanted to see if they could send a message to control physical movement from one brain to another. Because it's a breach of research ethics to connect probes directly into a living human brain, they had to figure out how to do it using non-invasive techniques.

Using an electroencephalography (EEG) cap, which records brain activity, they positioned two researchers in separate areas of the campus. In one room a colleague, Rajesh Rao, played a videogame using his mind. Each time Rao saw an enemy he wanted to shoot in the game he would think about pressing a button. Across campus, Stocco sat with his back to the same video game while wearing noise-canceling headphones so he wouldn't know when to respond. On his head was a transcranial magnetic stimulation coil (a device that can emit a focused electrical current), which was positioned directly over the part of the brain that controlled the movement of his finger.When Rao thought about moving his finger, the signal was transmitted across campus to Stocco who, without any knowledge of it, would twitch his finger and trigger the game to shoot an enemy.

"The first time I didn't even realize my hand had moved. I was just waiting for something to happen," said Stocco.

That reaction, Prat says, is an important aspect of this science. "There is this idea that I would like to dispel. This is not the X-Men version of telepathy where you hear a disembodied voice. My brain would have no way of knowing that your thoughts are mine. Whatever shape [future brain-to-brain communication] takes is going to be very different than listening to someone's thoughts in your head."

"I don't think we will ever be able to broadcast from one brain to another the essence of the human condition."

The neuroscientists all agreed that, while this technology is still rudimentary there are implications for future uses. Nicolelis, for example, has adapted the brain-to-machine interface to help paralyzed patients walk by using their brain signals to control prosthetic devices. He says that over the two years he's been working with them several of his patients have recovered some sensory ability in their paralyzed lower limbs. "The conjunction of output to control device and feedback may have triggered axons that survived to start working again," he says.

Prat, who is especially interested in the differences between individual brains, believes that the technology could also eventually be used to improve learning by harnessing the EEG's ability to distinguishing between a brain that is focusing and one that is "zoning out." That way, perhaps in the future, when a "good learner" starts to focus on a learning task their brain can trigger someone who is not paying attention to focus in on the task at hand. Brain-to-brain communication, she says, may one day be especially good at transmitting a state of mind.

In the end the researchers agreed that despite the technology's many potential benefits one future we won't see is one in which you can connect your brain into a computer and download all the Earth's knowledge. According to Nicolelis, downloading massive amounts of data or mimicking telepathy will be impossible because the brain is just too complex.

"I don't think we will ever be able to broadcast from one brain to another the essence of the human condition. We don't even know how to record those things let alone broadcast them and then interpret that broadcast. We love analogies, metaphors, expecting things, and predicting things. These thing are not in algorithms. We're not going to be broadcasting my dreams to your head."