211service.com
De hersenactiviteitskaart
Een voorgestelde poging om hersenactiviteit op grote schaal in kaart te brengen, die naar verwachting later deze maand door het Witte Huis zal worden aangekondigd, zou neurowetenschappers kunnen helpen de oorsprong van cognitie, perceptie en andere verschijnselen te begrijpen. Deze hersenactiviteiten zijn tot op heden niet goed begrepen, deels omdat ze voortkomen uit de interactie van grote sets neuronen waarvan de gecoördineerde inspanningen wetenschappers momenteel niet kunnen volgen.
Actieve links: Een fluorescerend molecuul in de neuronen van een muizenbrein gloeit terwijl de hersencellen vuren.
Er zijn allerlei opmerkelijke instrumenten om de microscopische wereld van individuele cellen te bestuderen, zegt John Donoghue, een neurowetenschapper bij Brown en een deelnemer aan het project. En aan de macroscopische kant hebben we hulpmiddelen zoals MRI en EEG die ons vertellen over de functie van de hersenen en de structuur ervan, maar met een lage resolutie. Er zit een gat in het midden. We moeten heel veel neuronen vastleggen, precies zoals ze werken, met temporele precisie en in grote gebieden, zegt hij.
Een artikel gepubliceerd op donderdag in Wetenschap online breidt de toch al ambitieuze doelen van het project verder uit dan alleen het gelijktijdig registreren van de activiteit van alle individuele neuronen in een hersencircuit. Onderzoekers moeten ook manieren vinden om de neuronen in die circuits te manipuleren en de circuitfunctie te begrijpen door middel van nieuwe methoden voor gegevensanalyse en modellering, schrijven de auteurs.
Volgens deelnemers aan het project is het van cruciaal belang om te begrijpen hoe neuronen met elkaar communiceren in grote delen van de hersenen om te begrijpen hoe de hersenen werken. Andere pogingen om de fysieke verbindingen in de hersenen in kaart te brengen zijn al aan de gang (zie TR10: Connectomics and Mapping the Brain on a Massive Scale ), maar deze projecten kijken naar statische hersenen of kunnen slechts een ruw beeld krijgen van hoe hersengebieden communiceren. Het nieuwe project zal waarschijnlijk zijn nieuwe en nog onbekende technologieën gaan toepassen op eenvoudiger hersenen, zoals die van vliegen, en het zal waarschijnlijk tientallen jaren duren om zijn doelen te bereiken.
Er wordt verwacht dat tal van leiders op het gebied van neurowetenschappen, nanotechnologie en synthetische biologie zullen samenwerken. We hebben iets groots nodig om te proberen tools voor de toekomst te bouwen, zegt Rafael Yuste , een neurobioloog aan de Columbia University en een lid van het project. We zien onszelf als gereedschapsbouwers. Ik denk dat we de wetenschappelijke gemeenschap de methoden kunnen bieden die kunnen worden gebruikt voor de volgende fase in de neurowetenschappen.
Naast het verdiepen van het fundamentele begrip van de hersenen, kan het project ook leiden tot nieuwe behandelingen voor psychiatrische en neurologische aandoeningen. Als we echt begrijpen hoe zaken als gedachten, cognitie en andere kenmerken van de hersenen ontstaan, dan zouden we een beter begrip moeten hebben van stemmingsstoornissen, Parkinson, epilepsie en andere aandoeningen waarvan wordt gedacht dat ze voortkomen uit hersenbrede circuitproblemen, zegt Donoghue .
Details over welke technologische ideeën groen licht krijgen en hoeveel geld hun ontwikkeling zal ondersteunen, zullen naar verwachting worden onthuld in de aankondiging van het Witte Huis die nog moet komen. Het project zal waarschijnlijk worden ondersteund door de National Institutes of Health, de National Science Foundation, het Defense Advanced Research Projects Agency, het Office of Science and Technology Policy en particuliere stichtingen, zeggen deelnemers. Het is nog niet duidelijk hoeveel geld er nodig is of welke technologieën prioriteit krijgen.
Welke specifieke technologieën er ook opduiken, nanotechnologie zal er waarschijnlijk bij betrokken zijn, deels vanwege de behoefte aan kleinere en snellere sensoren om neuronale activiteit in de hersenen te registreren. Bestaande sensoren kunnen de elektrische activiteit van neuronen registreren, maar deze chips kunnen doorgaans minder dan 100 neuronen tegelijk bewaken en kunnen geen activiteit van naburige neuronen registreren, wat nodig zou zijn om te begrijpen hoe neuronen met elkaar omgaan. Paul Weiss , directeur van het California NanoSystems Institute aan de Universiteit van Californië, Los Angeles, een deelnemer aan het project, zegt dat nanofabricagetechnieken dit probleem zouden kunnen aanpakken, met kleinere chips die kleinere elektrische en zelfs chemische sondes dragen. We hebben meer dan tien jaar behoorlijk veel geïnvesteerd in wetenschap en technologie om het vermogen te ontwikkelen … om te controleren hoe wat we maken in wisselwerking staat met de chemische, fysieke en biologische werelden, zegt hij.
Nieuwe optische technieken zouden ook kunnen helpen bij het karteringsproject. Momenteel gebruiken veel onderzoeksgroepen calciumgevoelige fluorescerende kleurstoffen om het vuren van neuronen te bestuderen, maar Yuste wil een optische techniek ontwikkelen die spanningsgevoelige fluorescerende kleurstoffen gebruikt voor een snellere uitlezing. Neuronen communiceren met behulp van spanning, zegt hij. We willen spanningsbeeldvorming ontwikkelen, zodat we neuronale activiteit direct kunnen meten.
Hoewel veel dingen over het project onzeker zijn, is één ding duidelijk: er zullen veel gegevens worden opgeslagen, gedeeld en geanalyseerd. We zijn net begonnen aan de oppervlakte te komen van hoe je omgaat met gegevens in hoogdimensionale ruimtes, zegt Terry Sejnowski, een computationele neurowetenschapper aan het Salk Institute. Als je het hebt over een miljoen neuronen, niemand kan zich zelfs maar voorstellen hoe dat eruit ziet - het gaat veel verder dan wat we in drie dimensies kunnen waarnemen.
De Wetenschap artikel schetst ook een ruwe tijdlijn. Binnen vijf jaar moeten tienduizenden neuronen kunnen worden gevolgd; over 15 jaar zouden één miljoen neuronen mogelijk moeten zijn. Het brein van een vlieg heeft ongeveer 100.000 neuronen, een muis ongeveer 75 miljoen en een mens ongeveer 85 miljard. Met een miljoen neuronen kunnen wetenschappers de functie van de hele hersenen van de zebravis of verschillende gebieden van de hersenschors van de muis evalueren, schrijven de auteurs.