Hjerneaktivitetskort

Et foreslået forsøg på at kortlægge hjerneaktivitet i stor skala, der forventes at blive annonceret af Det Hvide Hus senere på måneden, kunne hjælpe neurovidenskabsmænd med at forstå oprindelsen af ​​kognition, perception og andre fænomener. Disse hjerneaktiviteter er hidtil ikke blevet godt forstået, til dels fordi de opstår fra interaktionen mellem store sæt neuroner, hvis koordinerede indsats forskerne i øjeblikket ikke kan spore.

Aktive links: Et fluorescerende molekyle i neuronerne i en musehjerne lyser, når hjernecellerne affyres.

Der er alle slags bemærkelsesværdige værktøjer til at studere den mikroskopiske verden af ​​individuelle celler, siger John Donoghue, neuroforsker hos Brown og deltager i projektet. Og i den makroskopiske ende har vi værktøjer som MR og EEG, der fortæller os om hjernens funktion og dens struktur, men i lav opløsning. Der er et hul i midten. Vi skal registrere mange, mange neuroner, præcis som de opererer med tidsmæssig præcision og i store områder, siger han.

En artikel offentliggjort torsdag i Videnskab online udvider projektets allerede ambitiøse mål ud over blot at registrere aktiviteten af ​​alle individuelle neuroner i et hjernekredsløb samtidigt. Forskere bør også finde måder at manipulere neuronerne i disse kredsløb og forstå kredsløbsfunktion gennem nye metoder til dataanalyse og modellering, skriver forfatterne.

At forstå, hvordan neuroner kommunikerer med hinanden på tværs af store områder af hjernen, vil være afgørende for at forstå, hvordan hjernen fungerer, ifølge deltagere i projektet. Andre bestræbelser på at kortlægge de fysiske forbindelser i hjernen er allerede i gang (se TR10: Connectomics and Mapping the Brain on a Massive Scale ), men disse projekter ser på statiske hjerner eller kan kun få et groft billede af, hvordan områder af hjernen kommunikere. Det nye projekt vil formentlig begynde at anvende sine nye og endnu ukendte teknologier på enklere hjerner, såsom fluers, og det vil sandsynligvis tage årtier at nå sine mål.

Talrige ledere fra områderne neurovidenskab, nanoteknologi og syntetisk biologi forventes at samarbejde om indsatsen. Vi har brug for noget i stor skala for at prøve at bygge værktøjer til fremtiden, siger Rafael Yuste , neurobiolog ved Columbia University og medlem af projektet. Vi ser os selv som værktøjsbyggere. Jeg tror, ​​vi kunne give det videnskabelige samfund de metoder, der kunne bruges til næste trin i neurovidenskab.

Udover at uddybe den grundlæggende forståelse af hjernen, kan projektet også føre til nye behandlinger af psykiatriske og neurologiske lidelser. Hvis vi virkelig forstår, hvordan ting som tanker, kognition og andre egenskaber i hjernen opstår, så burde vi have en bedre forståelse af humørforstyrrelser, Parkinsons, epilepsi og andre tilstande, der menes at opstå fra hjerneomspændende kredsløbsproblemer, siger Donoghue .

Detaljer om, hvilke teknologiideer der vil blive givet grønt lys, og hvor mange penge der skal støtte deres udvikling, forventes at blive afsløret i meddelelsen fra Det Hvide Hus, der stadig venter. Projektet vil sandsynligvis blive støttet af National Institutes of Health, National Science Foundation, Defense Advanced Research Projects Agency, Office of Science and Technology Policy og private fonde, siger deltagerne. Det er endnu ikke klart, hvor mange penge der er behov for, eller hvilke teknologier der vil blive prioriteret.

Uanset hvilke særlige teknologier der dukker op, vil nanoteknologi sandsynligvis være involveret, delvist på grund af behovet for mindre og hurtigere sensorer til at registrere neuronal aktivitet på tværs af hjernen. Eksisterende sensorer kan registrere den elektriske aktivitet af neuroner, men disse chips kan typisk overvåge færre end 100 neuroner ad gangen og kan ikke registrere aktivitet fra naboneuroner, hvilket ville være nødvendigt for at forstå, hvordan neuroner interagerer med hinanden. Paul Weiss , direktør for California NanoSystems Institute ved University of California, Los Angeles, en deltager i projektet, siger, at nanofabrikationsteknikker kunne løse dette problem med mindre chips, der bærer mindre elektriske og endda kemiske sonder. Vi har i løbet af et årti haft en ret betydelig investering i videnskab og teknologi for at udvikle evnen ... til at kontrollere, hvordan det, vi laver, interagerer med de kemiske, fysiske og biologiske verdener, siger han.

Nye optiske teknikker kunne også hjælpe med kortlægningsprojektet. I øjeblikket bruger mange forskergrupper calciumfølsomme fluorescerende farvestoffer til at studere neuronfyring, men Yuste ønsker at udvikle en optisk teknik, der bruger spændingsfølsomme fluorescerende farvestoffer til en hurtigere udlæsning. Neuroner kommunikerer ved hjælp af spænding, siger han. Vi vil gerne udvikle spændingsbilleddannelse, så vi vil være i stand til at måle neuronal aktivitet direkte.

Mens mange ting ved projektet er usikre, er én ting klar - der vil være en masse data at gemme, dele og analysere. Vi er lige begyndt at ridse overfladen af, hvordan man håndterer data i højdimensionelle rum, siger Terry Sejnowski, en computerneuroforsker ved Salk Institute. Hvis du taler om en million neuroner, kan ingen engang forestille sig, hvordan det ser ud – det er langt ud over, hvad vi kan opfatte i tre dimensioner.

Det Videnskab artiklen skitserer også en grov tidslinje. Inden for fem år skulle det være muligt at overvåge titusindvis af neuroner; om 15 år burde en million neuroner være mulige. En flues hjerne har omkring 100.000 neuroner, en mus har omkring 75 millioner, og et menneskes omkring 85 milliarder. Med en million neuroner vil forskere være i stand til at evaluere funktionen af ​​hele zebrafiskens hjerne eller flere områder fra musens hjernebark, skriver forfatterne.

skjule