Hvorfor Obamas hjernekortlægningsprojekt betyder noget

I sidste uge annoncerede præsident Obama officielt 100 millioner dollars i finansiering til uden tvivl det mest ambitiøse neurovidenskabelige initiativ, der nogensinde er foreslået.

Det Hjerneforskning gennem fremme af innovative neuroteknologier , eller BRAIN, som projektet nu hedder, har til formål at rekonstruere aktiviteten af ​​hver enkelt neuron, når de skyder samtidigt i forskellige hjernekredsløb, eller måske endda hele hjerner.

Det næste store amerikanske projekt, som Obama kaldte det, kunne hjælpe neurovidenskabsmænd med at forstå oprindelsen af ​​kognition, perception og andre gådefulde hjerneaktiviteter, som kan føre til nye, mere effektive behandlinger for tilstande som autisme eller humørsygdomme og kan hjælpe veteraner, der lider af hjerneskader.

Stor hjernevidenskab er også på europæernes sind; Den Europæiske Union annoncerede for nylig et 10-årigt forslag på næsten 1,2 milliarder euro simulere den menneskelige hjerne ved beregning fra niveauet af molekyler og neuroner op gennem neuronale kredsløb.

Forskellige værktøjer – fra genetik og molekylærbiologi – har hjulpet forskere med at forstå, hvordan neuroner opfører sig som individer. Men neurovidenskabsmænd er nu kun i stand til at studere aktiviteten af ​​en håndfuld af disse hjerneceller ad gangen ved hjælp af spændingsfølende elektrodeprober.

Andre bestræbelser på at kortlægge de fysiske forbindelser i hjernen er allerede i gang, men disse projekter ser enten på døde hjerner eller giver kun et groft, lavopløst billede af, hvordan områder af hjernen kommunikerer. For eksempel Allen Institute for Brain Science har udviklet flere såkaldte hjerneatlaser, der kortlægger de fysiske forbindelser mellem neuroner i forskellige arters hjerner samt mønstrene af unik genetik i hver neuron. Selvom disse statiske kort er fantastiske at lære om hjernens arkitektur, giver de ikke information om, hvordan neuronaktivitet fører til hjernefunktion.

Det er muligt at få et groft overblik over aktiviteten i hele neurale kredsløb ved hjælp af værktøjer som MR og EEG, men kun ved en lav opløsning. Og hjernens adfærd mellem disse to skalaer - hvordan tusinder eller millioner af neuroner interagerer for at kontrollere adfærden af ​​diskrete kredsløb i hjernen - har været utilgængelig. Forskere forstår endnu ikke, hvordan komplekse interaktioner mellem mange neuroner på én gang giver anledning til neurale kredsløbsfunktioner.

BRAIN-initiativet foreslår at udvikle nye teknologier, der kan registrere aktiviteten fra tusinder, hvis ikke millioner eller milliarder, af neuroner samtidigt på tidsskalaer, der matcher adfærd og mentale aktiviteter. Initiativet vil sandsynligvis tackle diskrete hjernekredsløb inden for forskellige dyrearter for at forstå, hvordan neuroner arbejder sammen for at give anledning til adfærd, stemninger og andre mentale fænomener.

Det vil være nødvendigt at udvikle nye teknologier for at nå målene for BRAIN, og disse vil sandsynligvis drage fordel af de seneste fremskridt inden for nanoteknologi. Eksisterende sensorer kan registrere den elektriske aktivitet af neuroner, men kan typisk overvåge færre end 100 neuroner ad gangen.

Nye mikro- og nanofremstillingsteknikker kunne bruges til at skabe mindre chips, der bærer mindre elektriske og endda kemiske sonder, der ville være mindre invasive. Nanosonder, der for eksempel bærer flere dusin elektroder, kunne stables for at sondere hundredtusindvis af optagesteder og transmittere data trådløst.

Alternativt kan nanopartikler, der bærer molekyler, der bringer dem til specifikke celletyper, sætte sig fast i cellemembraner, så kirurgisk placering ville ikke være nødvendig. Nanopartiklerne kunne også bære molekyler, der kan mærke elektrisk aktivitet, tryk eller endda visse kemikalier, der afslører hjerneaktivitet.

Nye optiske teknikker kunne også hjælpe med kortlægningsprojektet. Når en neuron affyrer, stiger mængden af ​​calcium inde i celler, så mange forskergrupper bruger calciumfølsomme fluorescerende farvestoffer til at studere neuronaktivitet. Men denne måling er en gang fjernet fra neurons faktiske elektriske aktivitet. Et spændingsfølsomt fluorescerende molekyle eller andet billeddannende middel kunne give et mere præcist billede af aktiviteten.

Syntetisk biologi kunne være et andet nyttigt værktøj. Enzymer, der bygger DNA-strenge, er følsomme over for ionkoncentration og vil introducere flere fejl i deres DNA-produktion i nærværelse af calcium. Som sådan kunne disse enzymer bruges som sensorer for neuronaktivitet. En forudbestemt DNA-sekvens kunne implanteres i neuroner, og efterhånden som den kopieres, ville den resulterende DNA-streng give en registrering af fejlmønstrene svarende til mønstre af neuronaktivitet. Fejlplettede strenge fra forskellige neuroner kunne senere sekventeres.

Forskere skitserede en groft køreplan for projektet i en forslag fra 2012 . Initiativet vil højst sandsynligt starte med udviklingen af ​​forbedrede calcium-billeddannelsesmetoder til registrering af neuronfyring, efterfulgt af spændingsbilleddannelse af neuronaktivitet. Da disse to metoder kun ville se på overfladestrukturer (fordi lys ikke kan rejse langt ind i hjernevæv), kunne det tredje trin være udviklingen af ​​store rækker af nanoprober.

I de første fem år kan initiativet starte med små kredsløb, såsom hele nematodens nervesystem C. elegans (som kun har 302 neuroner og 7.000 forbindelser) og diskrete kredsløb i frugtfluehjernen. Individuelle kredsløb i et musens nervesystem, såsom det i nethinden eller olfaction center, kunne tackles inden for 10 år, og inden for 15 år kan forskere muligvis rekonstruere den neuronale aktivitet af hele neocortex af en mus.

Selv uden direkte at udforske den menneskelige hjerne, kan den resulterende indsigt have en dyb indvirkning på neurovidenskab og medicin – det vil sige, hvis alt i dette næste store amerikanske projekt går efter planen.

skjule