Syntetisk neurobiologi

Når du programmerer en computer, behøver du ikke at styre individuelle elektroner rundt manuelt; hvis du gjorde det, ville kompleksiteten ved at udføre selv den enkleste beregning være skræmmende. Det er klart, at bygning eller reparation af en kompleks ting kræver et lag af abstraktion, så du kan løse det konkrete problem, mens du ignorerer den underliggende kompleksitet. Problemer i hjernen skal også løses på passende abstraktionsniveauer. I løbet af den sidste uge af september deltog jeg i et neuroteknologisk panel på MIT. Et tema dukkede stille op: Forskellige neurologiske og psykiatriske problemer kræver neurale kontrolteknologier, der fungerer over forskellige rumlige og tidsmæssige skalaer. Der skal træffes kritiske designvalg: går du efter en invasiv, rumligt fokal neural stimulator eller efter en ikke-invasiv, men rumligt mere grov?

Overvej spørgsmålet om, hvordan du kan øge kognition og humør ved at stimulere udvalgte neurale kredsløb. Du vil sandsynligvis have maksimal fleksibilitet - evnen til at justere humør, beslutningstagning, dømmekraft og så videre, uafhængigt af hinanden. Forskere har forsøgt at ændre kognitive funktioner ved ikke-invasiv stimulering af corticale hjerneregioner, hver med et par kubikcentimeter i volumen. Det er imidlertid blevet klart, at disse hjerneområder ikke er de mest elementære af hjernekredsløbselementer. For eksempel kan manipulation af en bestemt hjerneregion ændre mange kognitive og følelsesmæssige funktioner parallelt. Overvej det konkrete eksempel på transkraniel magnetisk stimulering (TMS) af højre præfrontale cortex. I de sidste par år har undersøgelser vist, at TMS i denne hjerneregion med en standardprotokol (en puls pr. sekund i 10 til 30 minutter) kan ændre beslutningstagning i lyset af uretfærdigheder , forbedre symptomerne på depression , og øge risikovillig adfærd . Det kan således være vanskeligt at inducere en specifik, ønsket hjernetilstand uden at inducere andre (måske uønskede) hjernetilstande, når de primitiver, der overvejes, alle er hjerneregioner. Det er klart, at dette praktiske abstraktionslag, som har været fremtrædende gennem århundreder af neurovidenskab, skal forfines for at udvikle en fuldt fleksibel arkitektur til kognitiv forstærkning.

Den svære del af neuroengineering er neurodelen. Vores opgave er at forme neural-kredsløbsaktivitet, så den opnår en ønsket beregning eller adfærd uden at fremkalde ændringer, der er ikke-optimale. For et par uger siden erklærede afdelingsformand Doug Lauffenburger for Biologisk Engineering til mig: Det, du laver, er syntetisk neurobiologi, der trækker paralleller mellem mit laboratoriums arbejde og arbejdet i laboratorier, der laver syntetisk biologi. Hvis du har fulgt inden for syntetisk biologi, vil du vide, at en vigtig forudsætning er skabelsen af ​​abstraktionslag til biologisk ingeniørarbejde. Denne dagsorden omfatter udviklingen af ​​standardiserede sæt af grundlæggende ingeniørdele (dvs. standardstykker af DNA, der koder for præcist definerede funktioner) og designregler for at bygge komplekse systemer ud af lignende (dvs. måder at forbinde gennetværk for at opnå ønskede organismeresultater ). Ved at følge designreglerne og bruge de standardiserede dele kan biologiske ingeniører skabe nye biologiske systemer fra bunden – systemer, der giver mening og fungerer på en forudsigelig måde.

I vores laboratorium er vi begyndt at samle en værktøjskasse med metoder til præcis styring af specifikke neurale kredsløbsprimitiver. Vi bruger nu disse værktøjer til at lære at kontrollere adfærdsmæssige output med stor præcision og kraft. Forhåbentlig vil vi på denne måde lære, hvad de neurobiologiske primitiver er for at konstruere hjernen og udvikle designregler for optimal kontrol af neurale kredsløbs output, især i sygdomstilstande. Vi er på et tidligt stadie. De syntetiske biologer startede med den stærke hypotese, at gener var det rigtige abstraktionslag. Efter alt, er genomet fundamentalt, og DNA er let at generere, manipulere og læse. Men for neurale beregninger ved vi ikke, hvad DNA-ækvivalenten er. Er de primitive dendritiske grundstoffer? Enkelte neuroner? Synaptiske forbindelser? Celletyper? Små netværk? Store netværk? Og på hvilke nervesystemskalaer skal vi læse? Skrivning?

Lyskontrollerbare neuroner. Kredit: J. Cardin, X. Han, X. Qian, C. Moore, E. Boyden.

Mest sandsynligt vil abstraktionslaget for syntetisk neurobiologi variere meget på tværs af de forskellige neurologiske og psykiatriske lidelser, som vi udvikler løsninger til. En central opgave i de kommende år bliver at udvikle en metode til at vurdere det beskrivelsesniveau, der er passende til at løse et specifikt problem. Selvom meget af mit laboratoriums arbejde er fokuseret på at kontrollere meget specifikke neurale kredsløbselementer ved at bruge lysimpulser til at tænde eller slukke for individuelle celletyper med høj præcision, er det klart, at meget kraftfulde værktøjer kan eksistere på meget højere abstraktionsniveauer. For eksempel, kognitiv adfærdsterapi , hvor patienter lærer at debugge negative tanker, der bidrager til deprimerede følelser, er en dybtgående og kraftfuld neuroteknologi. Og det er udelukkende baseret på sproget. Sprogbaserede neuroteknologier aktiverer sæt af neuroner, fordelt på tværs af hele hjernen, i meget præcise mønstre - og på måder, der kan forårsage ændringer, der er i stand til at vare gennem hele livet. Sproget kan fremkalde præcise ændringer i hjernen, der bevæger folk til lykke, lærer dem færdigheder, fører dem ind i krig og får dem til at føle empati eller had eller opstemthed. Som John Hockenberry påpegede for mig sidste forår, er sproget den originale hjernegrænseflade. Måske opstår kompleksiteten af ​​syntetisk neurobiologi fra det faktum, at hjerneteknik på nogle måder er det, vi alle gør, hele tiden.

Citer som: Boyden, E. S. Synthetic Neurobiology. Ed Boydens blog. Teknologigennemgang. 9/10/07. ( http://www.technologyreview.com/blog/boyden/21871/ ).

skjule