Dlaczego projekt mapowania mózgu Obamy ma znaczenie

W zeszłym tygodniu prezydent Obama oficjalnie ogłosił 100 milionów dolarów finansowania prawdopodobnie najbardziej ambitnej inicjatywy neurobiologicznej, jaką kiedykolwiek zaproponowano.

ten Badania mózgu poprzez rozwój innowacyjnych neurotechnologii , lub BRAIN, jak nazywa się teraz projekt, ma na celu zrekonstruowanie aktywności każdego pojedynczego neuronu, który jest jednocześnie aktywowany w różnych obwodach mózgu, a być może nawet w całych mózgach.

Kolejny wielki amerykański projekt, jak nazwał go Obama, może pomóc neurologom w zrozumieniu pochodzenia poznania, percepcji i innych zagadkowych czynności mózgu, co może prowadzić do nowych, bardziej skutecznych metod leczenia takich stanów jak autyzm czy zaburzenia nastroju i może pomóc weteranom cierpiącym na urazy mózgu.

Nauka o wielkich mózgach jest również w umysłach Europejczyków; Unia Europejska ogłosiła niedawno prawie 1,2 miliarda euro, 10-letnią propozycję symulacja obliczeniowa ludzkiego mózgu od poziomu cząsteczek i neuronów w górę przez obwody neuronalne.

Różne narzędzia — od genetyki i biologii molekularnej — pomogły naukowcom zrozumieć, jak neurony zachowują się jako jednostki. Ale neurobiolodzy są teraz w stanie badać aktywność tylko garstki tych komórek mózgowych za pomocą sond elektrodowych wykrywających napięcie.

Inne próby mapowania fizycznych połączeń w mózgu są już w toku, ale projekty te albo dotyczą martwych mózgów, albo dostarczają jedynie przybliżonego, niskiej rozdzielczości obrazu tego, jak komunikują się regiony mózgu. Na przykład Allen Institute for Brain Science opracował kilka tak zwanych Atlasów Mózgu, które odwzorowują fizyczne połączenia między neuronami w mózgach różnych gatunków, a także wzorce unikalnej genetyki w każdym neuronie. Chociaż te statyczne mapy są świetne do poznania architektury mózgu, nie dostarczają informacji o tym, jak aktywność neuronów prowadzi do funkcji mózgu.

Możliwe jest uzyskanie przybliżonego obrazu aktywności całego obwodu nerwowego za pomocą narzędzi takich jak MRI i EEG, ale tylko w niskiej rozdzielczości. A zachowanie mózgu pomiędzy tymi dwiema skalami – jak tysiące lub miliony neuronów wchodzą w interakcje, aby kontrolować zachowanie dyskretnych obwodów w mózgu – było niedostępne. Naukowcy nie rozumieją jeszcze, w jaki sposób złożone interakcje między wieloma neuronami naraz prowadzą do funkcjonowania obwodów neuronowych.

Inicjatywa BRAIN proponuje opracowanie nowych technologii, które mogą rejestrować aktywność tysięcy, jeśli nie milionów lub miliardów neuronów jednocześnie, w skali czasowej odpowiadającej zachowaniu i aktywności umysłowej. Inicjatywa prawdopodobnie zajmie się dyskretnymi obwodami mózgu u różnych gatunków zwierząt, aby zrozumieć, w jaki sposób neurony współpracują ze sobą, powodując powstawanie zachowań, nastrojów i innych zjawisk psychicznych.

Aby osiągnąć cele projektu BRAIN, konieczne będzie opracowanie nowatorskich technologii, które prawdopodobnie wykorzystają najnowsze postępy w nanotechnologii. Istniejące czujniki mogą rejestrować aktywność elektryczną neuronów, ale zazwyczaj mogą monitorować jednocześnie mniej niż 100 neuronów.

Nowe techniki mikro- i nanofabrykacji można by wykorzystać do tworzenia mniejszych chipów z mniejszymi sondami elektrycznymi, a nawet chemicznymi, które byłyby mniej inwazyjne. Na przykład nanosondy z kilkoma tuzinami elektrod można układać w stos, aby badać setki tysięcy miejsc zapisu i przesyłać dane bezprzewodowo.

Alternatywnie, nanocząsteczki przenoszące cząsteczki, które przenoszą je do określonych typów komórek, mogą osadzać się w błonach komórkowych, więc chirurgiczne umieszczenie nie byłoby konieczne. Nanocząstki mogą również przenosić cząsteczki, które mogą wykrywać aktywność elektryczną, ciśnienie, a nawet niektóre substancje chemiczne, które ujawniają aktywność mózgu.

Nowatorskie techniki optyczne mogą również wspomóc projekt mapowania. Kiedy neuron zostaje pobudzony, ilość wapnia w komórkach wzrasta, dlatego wiele grup badawczych używa barwników fluorescencyjnych wrażliwych na wapń do badania aktywności neuronów. Ale ten pomiar jest raz usunięty z rzeczywistej aktywności elektrycznej neuronu. Cząsteczka fluorescencyjna czuła na napięcie lub inny środek do obrazowania może zapewnić dokładniejszy obraz aktywności.

Kolejnym użytecznym narzędziem może być biologia syntetyczna. Enzymy budujące nici DNA są wrażliwe na stężenie jonów i w obecności wapnia wprowadzają więcej błędów do produkcji DNA. Jako takie, enzymy te mogą być wykorzystywane jako czujniki aktywności neuronów. Ustalona z góry sekwencja DNA mogłaby zostać wszczepiona do neuronów, a podczas jej kopiowania powstała nić DNA zapewniłaby zapis wzorców błędów odpowiadających wzorcom aktywności neuronów. W późniejszym czasie można było zsekwencjonować cętki z błędami pochodzące z różnych neuronów.

Badacze naszkicowali wstępną mapę drogową projektu w krótkim czasie Propozycja 2012 . Inicjatywa najprawdopodobniej rozpocznie się od opracowania ulepszonych metod obrazowania wapnia do rejestrowania odpalania neuronów, a następnie obrazowania napięciowego aktywności neuronów. Ponieważ te dwie metody dotyczyłyby tylko struktur powierzchniowych (ponieważ światło nie może dotrzeć daleko do tkanki mózgowej), trzecim krokiem może być opracowanie dużych macierzy nanosond.

W ciągu pierwszych pięciu lat inicjatywa może rozpocząć się od małych obwodów, takich jak cały układ nerwowy nicieni C. elegans (który ma tylko 302 neurony i 7000 połączeń) oraz dyskretne obwody mózgu muszki owocowej. Poszczególne obwody w mysim układzie nerwowym, takie jak w siatkówce lub ośrodku węchu, można będzie zająć się w ciągu 10 lat, a w ciągu 15 lat naukowcy mogą zrekonstruować aktywność neuronalną całej kory nowej myszy.

Nawet bez bezpośredniego badania ludzkiego mózgu, uzyskane w ten sposób spostrzeżenia mogą mieć głęboki wpływ na neuronaukę i medycynę – to znaczy, jeśli wszystko w tym kolejnym wielkim amerykańskim projekcie pójdzie zgodnie z planem.

ukryć