Napędzane badania mózgu

W ostatnim dziesięcioleciu nastąpiła rewolucja w naszym rozumieniu mózgu. Funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (fMRI) daje naukowcom wgląd w nasze najgłębsze myśli i ukryte lęki. Maleńkie układy elektrod, które rejestrują sygnały neuronowe z różnych części mózgu, ujawniają wskazówki dotyczące sposobu, w jaki nasze neurony kodują i przesyłają informacje. Ale jakie odkrycia przyniesie następna generacja technologii do neuronauki? Naukowcy z MIT mają nadzieję, że pospieszą odpowiedź z McGovern Institute Neurotechnology Program, nowym programem poświęconym rozwojowi nowatorskich neurotechnologii. Z Charlesem Jenningsem, nowo zatrudnionym dyrektorem programu, rozmawia Przegląd technologii o jego wizji na przyszłość.

Charles Jennings, nowo zatrudniony dyrektor Programu Neurotechnologii McGovern Institute, ma nadzieję zachęcić do rozwoju technologii nowej generacji dla mózgu.

Przegląd technologii : Po co uruchamiać konkretny program rozwoju neurotechnologii?

Charles Jennings : Neuronauka zawsze była napędzana i ograniczana przez dostępne technologie do jej badania. Mózg jest tak wymagający – potrzebujesz sposobów, aby go nagrywać i stymulować. Siła, z jaką możesz to zrobić, determinuje tempo badań i ewentualnych zastosowań klinicznych.

DZIECI : Jakie są ograniczenia istniejących technologii do studiowania neuronauki?

CJ : W większości nagrywanie z mózgu polega na zaglądaniu przez czaszkę w sposób, który jest zasadniczo ograniczony. FMRI, który był wielkim postępem i jedną z najpotężniejszych z tych technik, mierzy przepływ krwi. Więc nigdy nie można uzyskać lepszej rozdzielczości niż prędkość przepływu krwi. Nigdy nie zejdziesz do poziomu pojedynczej komórki.

Na drugim końcu spektrum możemy wbić elektrodę w mózg, zwykle zwierzęcą, technikę, która jest niezwykle ważna. Ale przeważnie możemy nagrywać tylko z jednego lub kilku miliardów neuronów w mózgu. Wiele informacji jest zakodowanych w taktowaniu sygnałów między neuronami, których nie można zobaczyć, chyba że rejestrujesz z wielu neuronów naraz.

Ogranicza nas również czas, jaki możemy nagrywać. Jeśli chcesz badać proces lub zachowanie, którego przyswojenie zajmuje tygodnie, musisz być w stanie patrzeć na mózg przez długi czas. Ta zdolność otwierałaby wiele pytań badawczych: procesy, które leżą u podstaw powstawania nawyków, długotrwałą degenerację, taką jak choroba Alzheimera, czy choroby psychiczne, które często rozwijają się latami.

Długoterminowe rejestrowanie jest również ważne klinicznie w leczeniu stymulacji mózgu w chorobie Parkinsona i depresji. [W tej procedurze elektroda jest chirurgicznie wszczepiana do części mózgu objętej chorobą. Dostarczanie impulsów elektrycznych za pośrednictwem implantu blokuje sygnały elektryczne powodujące drżenie i inne objawy choroby Parkinsona, a ostatnio okazało się, że jest to obiecujące w leczeniu ciężkiej depresji.] Jest to ważne w przypadku urządzeń protetycznych dla ofiar paraliżu, w których urządzenie rejestruje z części mózgu zaangażowanej w planowanie, a następnie przekłada tę aktywność na ruch kursora komputera lub sztucznej kończyny. Wyzwaniem jest stworzenie czegoś, co można wszczepić do mózgu, co będzie zachowywać się konsekwentnie przez długi czas.

DZIECI : Jakie ciekawe nowe technologie widzisz na horyzoncie neuronauki?

CJ : Myślę, że zobaczymy duży wpływ ludzkiej genetyki. Na przykład nasi sąsiedzi z Broad [Institute] opracowali narzędzia do przyjrzenia się indywidualnym zmianom w naszej informacji genetycznej i szukają genów zaangażowanych w schizofrenię i chorobę afektywną dwubiegunową. (Patrz Nowa mapa zdrowia.) Do tej pory zidentyfikowano niewiele genów, więc naprawdę istnieje pilna potrzeba odkrycia genetycznych podstaw tych chorób.

Jednym z trendów, które zaobserwowaliśmy w ciągu ostatniego roku lub dwóch, jest zainteresowanie połączeniem genetyki i obrazowania mózgu. Jeśli zidentyfikujesz gen odpowiedzialny za chorobę psychiczną, chcesz zapytać, jak ten gen wpływa na zachowanie i jak wpływa na funkcjonowanie mózgu. Mózg jest czarną skrzynką, dopóki do niego nie spojrzysz. Największym wyzwaniem będzie narysowanie wszystkich połączeń między genami a zachowaniem. W jaki sposób wpływy środowiskowe oddziałują z genetyką, kształtując mózg i wpływając na zachowanie?

DZIECI : Jakie technologie chcesz rozwijać?

CJ : Do tej pory współpracujemy z Ianem Hunterem, profesorem inżynierii mechanicznej na MIT, który opracowuje elektrody z nanoprzewodami, które są znacznie cieńsze niż obecne elektrody. (Zobacz Małe elektrody dla mózgu .) Możesz wprowadzić je do większej liczby części mózgu, jednocześnie powodując mniejsze uszkodzenia tkanki.

Kolejnym projektem jest opracowanie nowych metod fMRI. Chcemy stworzyć cząsteczki reporterowe, które są wrażliwe na różne [substancje chemiczne] w mózgu, takie jak wapń, ważna cząsteczka sygnalizacyjna. Marker, który zmienia się wraz ze stężeniem wapnia, może obrazować aktywność nerwową ze znacznie większą rozdzielczością niż obecne metody.

W dłuższej perspektywie chcemy myśleć o projektach o dużym ryzyku i wysokich zyskach. Jeśli spojrzysz na fMRI, to radykalnie nowy sposób patrzenia na mózg. Co go zastąpi za 20 lat? Widok sci-fi byłby miniaturowymi urządzeniami, które umieściłyby się w naczyniach włosowatych i nagrywały z pobliskich neuronów i przekazywały te dane przez czaszkę. Pomyśl, co mógłbyś zrobić, gdybyś miał dużą liczbę tych rzeczy, które mogłyby zasilać się i krążyć wokół mózgu. Nie wiemy, czy da się to zrobić, ale powiedziano mi, że nie ma teoretycznego powodu, dla którego byłoby to niemożliwe.

ukryć