Mapa aktywności mózgu

Proponowany wysiłek zmapowania aktywności mózgu na dużą skalę, który ma zostać ogłoszony przez Biały Dom jeszcze w tym miesiącu, może pomóc neurologom w zrozumieniu pochodzenia poznania, percepcji i innych zjawisk. Te czynności mózgu nie zostały do ​​tej pory dobrze poznane, po części dlatego, że wynikają z interakcji dużych zestawów neuronów, których skoordynowanych wysiłków naukowcy nie mogą obecnie śledzić.

Aktywne linki: Cząsteczka fluorescencyjna w neuronach mózgu myszy świeci, gdy komórki mózgowe się zapalają.

Istnieje wiele niezwykłych narzędzi do badania mikroskopowego świata pojedynczych komórek, mówi John Donoghue, neurolog z Brown i uczestnik projektu. A na końcu makroskopowym mamy narzędzia takie jak MRI i EEG, które mówią nam o funkcji mózgu i jego strukturze, ale w niskiej rozdzielczości. Pośrodku jest luka. „Musimy zarejestrować wiele, wiele neuronów dokładnie tak, jak działają z precyzją czasową i na dużych obszarach”, mówi.

Artykuł opublikowany w czwartek w Nauka online rozszerza i tak już ambitne cele projektu, wykraczając poza rejestrowanie aktywności wszystkich pojedynczych neuronów w obwodzie mózgu jednocześnie. Naukowcy powinni również znaleźć sposoby na manipulowanie neuronami w tych obwodach i zrozumienie funkcji obwodów za pomocą nowych metod analizy i modelowania danych, piszą autorzy.

Zdaniem uczestników projektu zrozumienie, w jaki sposób neurony komunikują się ze sobą w dużych obszarach mózgu, będzie miało kluczowe znaczenie dla zrozumienia działania mózgu. Inne próby mapowania fizycznych połączeń w mózgu są już w toku (zobacz TR10: Connectomics and Mapping the Brain on a Massive Scale ), ale projekty te dotyczą statycznych mózgów lub mogą uzyskać jedynie przybliżony obraz tego, jak regiony mózgu porozumieć się. Nowy projekt prawdopodobnie zacznie stosować swoje nowatorskie, a jeszcze nieznane technologie w prostszych mózgach, takich jak mózgi much, a osiągnięcie celów zajmie prawdopodobnie dziesięciolecia.

Oczekuje się, że liczni liderzy z dziedzin neuronauki, nanotechnologii i biologii syntetycznej będą współpracować w tym przedsięwzięciu. Potrzebujemy czegoś na dużą skalę, aby spróbować zbudować narzędzia na przyszłość, mówi Rafael Yuste , neurobiolog z Uniwersytetu Columbia i członek projektu. Uważamy się za konstruktorów narzędzi. Myślę, że moglibyśmy dostarczyć społeczności naukowej metody, które można by wykorzystać na kolejnym etapie neuronauki.

Oprócz pogłębienia fundamentalnej wiedzy na temat mózgu, projekt może również doprowadzić do opracowania nowych metod leczenia zaburzeń psychiatrycznych i neurologicznych. Jeśli naprawdę zrozumiemy, w jaki sposób pojawiają się myśli, funkcje poznawcze i inne cechy mózgu, powinniśmy lepiej zrozumieć zaburzenia nastroju, chorobę Parkinsona, epilepsję i inne stany, które są uważane za wynikające z problemów z obwodami całego mózgu, mówi Donoghue. .

Szczegóły dotyczące tego, które pomysły technologiczne otrzymają zielone światło i ile pieniędzy wesprą ich rozwój, mają zostać ujawnione w komunikacie Białego Domu, który ma dopiero nadejść. Projekt prawdopodobnie będzie wspierany przez National Institutes of Health, National Science Foundation, Defense Advanced Research Projects Agency, Office of Science and Technology Policy oraz prywatne fundacje, mówią uczestnicy. Nie jest jeszcze jasne, ile pieniędzy będzie potrzebnych lub jakie technologie będą miały priorytet.

Bez względu na to, które konkretne technologie się pojawią, nanotechnologia prawdopodobnie będzie zaangażowana, po części ze względu na zapotrzebowanie na mniejsze i szybsze czujniki do rejestrowania aktywności neuronalnej w mózgu. Istniejące czujniki mogą rejestrować aktywność elektryczną neuronów, ale te chipy mogą zazwyczaj monitorować mniej niż 100 neuronów na raz i nie mogą rejestrować aktywności z sąsiednich neuronów, co byłoby konieczne do zrozumienia, w jaki sposób neurony oddziałują ze sobą. Paul Weiss , dyrektor Kalifornijskiego Instytutu NanoSystemów na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles, uczestnik projektu, mówi, że techniki nanoprodukcyjne mogą rozwiązać ten problem, z mniejszymi chipami wyposażonymi w mniejsze sondy elektryczne, a nawet chemiczne. Od ponad dekady zainwestowaliśmy dość dużo w naukę i technologię, aby rozwinąć zdolność… kontrolowania, w jaki sposób to, co wytwarzamy, oddziałuje ze światem chemicznym, fizycznym i biologicznym – mówi.

Nowatorskie techniki optyczne mogą również wspomóc projekt mapowania. Obecnie wiele grup badawczych wykorzystuje wrażliwe na wapń barwniki fluorescencyjne do badania wypalania neuronów, ale Yuste chce opracować technikę optyczną, która wykorzystuje wrażliwe na napięcie barwniki fluorescencyjne w celu szybszego odczytu. Neurony komunikują się za pomocą napięcia, mówi. Chcielibyśmy opracować obrazowanie napięciowe, aby móc bezpośrednio mierzyć aktywność neuronów.

Chociaż wiele rzeczy dotyczących projektu jest niepewnych, jedno jest jasne — będzie dużo danych do przechowywania, udostępniania i analizowania. Właśnie zaczęliśmy zarysować powierzchnię tego, jak radzisz sobie z danymi w przestrzeniach wielowymiarowych, mówi Terry Sejnowski, neurobiolog obliczeniowy w Instytucie Salka. Jeśli mówisz o milionie neuronów, nikt nie jest w stanie sobie nawet wyobrazić, jak to wygląda – wykracza to daleko poza to, co możemy postrzegać w trzech wymiarach.

ten Nauka artykuł nakreśla również przybliżoną linię czasu. W ciągu pięciu lat powinno być możliwe monitorowanie dziesiątek tysięcy neuronów; za 15 lat powinien być możliwy milion neuronów. Mózg muchy ma około 100 000 neuronów, myszy około 75 milionów, a człowieka około 85 miliardów. Dzięki milionowi neuronów naukowcy będą mogli ocenić funkcję całego mózgu danio pręgowanego lub kilku obszarów kory mózgowej myszy, piszą autorzy.

ukryć