211service.com
Neurobiologia syntetyczna
Kiedy programujesz komputer, nie musisz ręcznie sterować poszczególnymi elektronami; gdybyś to zrobił, złożoność wykonywania nawet najprostszych obliczeń byłaby zniechęcająca. Oczywiste jest, że budowanie lub naprawianie złożonej rzeczy wymaga warstwy abstrakcji, więc możesz rozwiązać konkretny problem, ignorując leżącą u jego podstaw złożoność. Problemy mózgu muszą być również rozwiązywane na odpowiednich poziomach abstrakcji. W ostatnim tygodniu września uczestniczyłem w panelu neurotechnologicznym na MIT. Po cichu pojawił się jeden temat: różne problemy neurologiczne i psychiatryczne wymagają technologii kontroli neuronalnej, które działają w różnych skalach przestrzennych i czasowych. Należy dokonać krytycznych wyborów projektowych: czy wybierasz inwazyjny, przestrzennie ogniskowy stymulator neuronowy, czy nieinwazyjny, ale przestrzennie bardziej surowy?
Zastanów się, jak możesz poprawić funkcje poznawcze i nastrój poprzez stymulację wybranych obwodów neuronowych. Prawdopodobnie chciałbyś maksymalnej elastyczności – umiejętności dostrajania nastroju, podejmowania decyzji, osądu i tak dalej, niezależnie od siebie. Naukowcy próbowali zmienić funkcje poznawcze poprzez nieinwazyjną stymulację obszarów korowych mózgu, każdy o objętości kilku centymetrów sześciennych. Stało się jednak jasne, że te obszary mózgu nie są najbardziej elementarnymi elementami obwodów mózgowych. Na przykład manipulacja jednym określonym regionem mózgu może równolegle zmieniać wiele funkcji poznawczych i emocjonalnych. Rozważ konkretny przykład Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (TMS) prawej kory przedczołowej. W ciągu ostatnich kilku lat badania wykazały, że TMS tego obszaru mózgu przy standardowym protokole (jeden impuls na sekundę przez 10 do 30 minut) może zmienić podejmowanie decyzji w obliczu niesprawiedliwości , poprawić objawy depresji , oraz zwiększyć skłonność do podejmowania ryzyka . Tak więc może być trudne wywołanie określonego, pożądanego stanu mózgu bez wywołania innych (być może niepożądanych) stanów mózgu, gdy rozważane prymitywne obszary to wszystkie obszary mózgu. Najwyraźniej ta wygodna warstwa abstrakcji, która była widoczna przez wieki neuronauki, będzie musiała zostać dopracowana, aby opracować w pełni elastyczną architekturę do wspomagania poznawczego.
Trudną częścią neuroinżynierii jest część neuro. Naszym zadaniem jest wyrzeźbienie aktywności obwodów neuronowych w taki sposób, aby realizowała pożądane obliczenia lub zachowanie bez wywoływania nieoptymalnych zmian. Kilka tygodni temu przewodniczący wydziału inżynierii biologicznej, Doug Lauffenburger, oświadczył mi: To, co robisz, to neurobiologia syntetyczna, kreśląc podobieństwa między pracą mojego laboratorium a pracą laboratoriów zajmujących się biologią syntetyczną. Jeśli śledziłeś dziedzinę biologii syntetycznej, wiesz, że głównym założeniem jest tworzenie warstw abstrakcji dla inżynierii biologicznej. Program ten obejmuje opracowanie ustandaryzowanych zestawów podstawowych części inżynieryjnych (tj. standardowych fragmentów DNA, które kodują dokładnie określone funkcje) oraz zasad projektowania złożonych systemów z podobnych (tj. sposobów łączenia sieci genów w celu osiągnięcia pożądanych wyników ). Przestrzegając zasad projektowania i używając znormalizowanych części, inżynierowie biologii mogą tworzyć od podstaw nowe systemy biologiczne – systemy, które mają sens i działają w przewidywalny sposób.
W naszym laboratorium zaczęliśmy tworzyć zestaw narzędzi z metodami precyzyjnego kontrolowania określonych prymitywów obwodów neuronowych. Używamy teraz tych narzędzi, aby nauczyć się kontrolować wyniki behawioralne z wielką precyzją i mocą. Mamy nadzieję, że w ten sposób dowiemy się, czym są neurobiologiczne prymitywnie do inżynierii mózgu i opracujemy zasady projektowania dla optymalnej kontroli wyjścia obwodów neuronowych, zwłaszcza w stanach chorobowych. Jesteśmy na wczesnym etapie. Biolodzy syntetyczni rozpoczęli od silnej hipotezy, że geny są właściwą warstwą abstrakcji. W końcu genom jest fundamentalny, a DNA można łatwo wygenerować, manipulować i odczytywać. Ale w przypadku obliczeń neuronowych nie wiemy, jaki jest odpowiednik DNA. Czy prymitywne elementy są elementami dendrytycznymi? Pojedyncze neurony? Połączenia synaptyczne? Typy komórek? Małe sieci? Duże sieci? A w jakiej skali układu nerwowego powinniśmy czytać? Pismo?
Neurony sterowane światłem. Źródło: J. Cardin, X. Han, X. Qian, C. Moore, E. Boyden.
Najprawdopodobniej warstwa abstrakcji dla neurobiologii syntetycznej będzie się znacznie różnić w zależności od różnych zaburzeń neurologicznych i psychiatrycznych, dla których opracowujemy rozwiązania inżynieryjne. Kluczowym zadaniem w najbliższych latach będzie wypracowanie metodyki oceny poziomu opisu właściwego dla rozwiązania konkretnego problemu. Chociaż większość mojej pracy w laboratorium skupia się na kontrolowaniu bardzo specyficznych elementów obwodów neuronowych, wykorzystując impulsy światła do włączania i wyłączania poszczególnych typów komórek z dużą precyzją, jasne jest, że bardzo potężne narzędzia mogą istnieć na znacznie wyższych poziomach abstrakcji. Na przykład, terapia poznawczo-behawioralna , w którym pacjenci uczą się, jak usuwać negatywne myśli, które przyczyniają się do depresji, jest głęboką i potężną neurotechnologią. I to jest całkowicie oparte na języku. Neurotechnologie oparte na języku aktywują zestawy neuronów rozmieszczone w całym mózgu według bardzo precyzyjnych wzorców i w sposób, który może powodować zmiany, które mogą trwać przez całe życie. Język może wywoływać precyzyjne zmiany w mózgu, które pobudzają ludzi do szczęścia, uczą ich umiejętności, prowadzą do wojny i sprawiają, że czują empatię, nienawiść lub radość. Jak John Hockenberry zwrócił mi uwagę zeszłej wiosny, język jest oryginalnym interfejsem mózgu. Być może złożoność neurobiologii syntetycznej wynika z faktu, że inżynieria mózgu jest pod pewnymi względami tym, co wszyscy robimy przez cały czas.
Zacytuj jako: Boyden, ES Synthetic Neurobiology. Blog Eda Boydena. Przegląd technologii. 10.10.07. (http://www.technologyreview.com/blog/boyden/21871/).