Fueling Brain Research

Det seneste årti har set en revolution i vores forståelse af hjernen. Funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI) giver videnskabsfolk et overblik over vores dybeste tanker og skjulte bekymringer. Små arrays af elektroder, der optager neurale signaler fra de forskellige dele af hjernen, afslører spor til, hvordan vores neuroner koder og sender information. Men hvilke opdagelser vil den næste generation af teknologier bringe til neurovidenskab? Forskere ved MIT håber at skynde sig med det svar med McGovern Institute Neurotechnology Program, et nyt program dedikeret til udviklingen af ​​nye neuroteknologier. Charles Jennings, nyansat direktør for programmet, taler med Teknologigennemgang om hans vision for fremtiden.

Charles Jennings, nyansat direktør for McGovern Institute Neurotechnology Program, håber at fremme udviklingen af ​​næste generations teknologier til hjernen.

Teknologigennemgang : Hvorfor starte et specifikt program for at udvikle neuroteknologier?

Charles Jennings : Neurovidenskab har altid været både drevet og begrænset af de tilgængelige teknologier til at studere det. Hjernen er så udfordrende - du har brug for måder at optage fra og stimulere den. Den kraft, hvormed du kan gøre disse ting, bestemmer tempoet i forskningen og de eventuelle kliniske anvendelser.

BØRN : Hvad er begrænsningerne ved eksisterende teknologier til at studere neurovidenskab?

CJ : For det meste involverer optagelse fra hjernen at kigge gennem kraniet på måder, der er fundamentalt begrænsede. FMRI, som var et stort fremskridt og en af ​​de mest kraftfulde af disse teknikker, måler blodgennemstrømningen. Så du kan aldrig få en bedre opløsning end blodgennemstrømningens hastighed. Du kan aldrig komme ned på niveauet af en enkelt celle.

I den anden ende af spektret kan vi stikke en elektrode ind i hjernen, normalt hos dyr, en teknik der har været enormt vigtig. Men for det meste kan vi kun optage fra en eller flere af de milliarder af neuroner i hjernen. Masser af information er kodet i timingen af ​​signalerne mellem neuroner, som du ikke kan se, medmindre du optager fra mange neuroner på én gang.

Vi er også begrænset af varigheden, som vi kan optage. Hvis du vil studere en proces eller adfærd, der tager uger at tilegne sig, skal du kunne se på hjernen over længere tid. Den evne ville åbne mange forskningsspørgsmål: de processer, der ligger til grund for vanedannelse, langsigtet degeneration, såsom Alzheimers eller psykiatriske sygdomme, som ofte udvikler sig over år.

Langtidsregistrering er også vigtig klinisk for hjernestimulerende behandlinger for Parkinsons sygdom og depression. [I denne procedure implanteres en elektrode kirurgisk i en del af hjernen, der er involveret i sygdommen. Levering af elektriske impulser via implantatet blokerer de elektriske signaler, der forårsager rystelser og andre symptomer på Parkinsons sygdom, og for nylig har det vist sig lovende ved behandling af svær depression.] Og det er vigtigt i proteseapparater til lammelsesofre, hvor en enhed optager fra den del af hjernen, der er involveret i planlægningen og omsætter derefter denne aktivitet til bevægelse af en computermarkør eller kunstigt lem. Udfordringen er at skabe noget, du kan implantere i hjernen, og som vil opføre sig konsekvent over lange perioder.

BØRN : Hvad er nogle interessante nye teknologier, du ser på den neurovidenskabelige horisont?

CJ : Jeg tror, ​​vi kommer til at se en stor indflydelse fra menneskelig genetik. Vores naboer på Broad [Institutet] har for eksempel udviklet værktøjer til at se på individuelle variationer i vores genetiske information og leder efter gener involveret i skizofreni og bipolar lidelse. (Se et nyt kort for sundhed.) Få gener er blevet identificeret indtil videre, så der er virkelig et presserende behov for at afdække det genetiske grundlag for disse sygdomme.

En af de tendenser, vi har set i de sidste år eller to, er interesse for at kombinere genetik og hjernebilleddannelse. Hvis du identificerer et gen involveret i psykiatrisk sygdom, vil du spørge, hvordan det gen påvirker adfærd, og hvordan det påvirker hjernefunktionen. Hjernen er en sort boks, indtil du ser ind i den. Den største udfordring bliver at tegne alle sammenhænge mellem gener og adfærd. Hvordan interagerer miljøpåvirkninger med genetik for at forme hjernen og påvirke adfærd?

BØRN : Hvilken slags teknologier vil du udvikle?

CJ : Indtil videre samarbejder vi med Ian Hunter, professor i maskinteknik ved MIT, som er ved at udvikle nanotrådselektroder, der er meget finere end nuværende elektroder. (Se Små elektroder til hjernen.) Du kan føre dem ind i flere dele af hjernen, mens du gør mindre skade på vævet.

Et andet projekt er at udvikle nye metoder til fMRI. Vi ønsker at skabe reportermolekyler, der er følsomme over for forskellige [kemikalier] i hjernen, såsom calcium, et vigtigt signalmolekyle. En markør, der ændrer sig med calciumkoncentrationen, kunne afbilde neural aktivitet med meget større opløsning end nuværende metoder.

På lang sigt ønsker vi at tænke store-højrisiko-projekter med høj udbytte. Hvis du ser på fMRI, er det en radikal ny måde at se hjernen på. Hvad vil erstatte det om 20 år? Sci-fi-visningen ville være miniature-enheder, der ville sætte sig i kapillærerne og optage fra nærliggende neuroner og overføre disse data gennem kraniet. Tænk på, hvad du kunne gøre, hvis du havde et højt antal af disse ting, der kunne drive sig selv og myldre rundt i hjernen. Vi ved ikke, om det kan lade sig gøre, men jeg har fået at vide, at der ikke er nogen teoretisk grund til, at det ikke kunne.

skjule