211service.com
Hersenonderzoek stimuleren
Het afgelopen decennium heeft er een revolutie plaatsgevonden in ons begrip van de hersenen. Functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI) geeft wetenschappers een beeld van onze diepste gedachten en verborgen angsten. Kleine reeksen elektroden die neurale signalen van de verschillende delen van de hersenen opnemen, onthullen aanwijzingen voor de manier waarop onze neuronen informatie coderen en verzenden. Maar welke ontdekkingen zal de volgende generatie technologieën de neurowetenschappen brengen? Wetenschappers van het MIT hopen dat antwoord snel te krijgen met het McGovern Institute Neurotechnology Program, een nieuw programma dat zich toelegt op de ontwikkeling van nieuwe neurotechnologieën. Charles Jennings, nieuw aangeworven programmadirecteur, praat met Technologie beoordeling over zijn toekomstvisie.
Charles Jennings, de nieuw aangeworven directeur van het McGovern Institute Neurotechnology Program, hoopt de ontwikkeling van de volgende generatie technologieën voor de hersenen aan te moedigen.
Technologie beoordeling : Waarom een specifiek programma starten om neurotechnologieën te ontwikkelen?
Charles Jennings : Neurowetenschap is altijd zowel gedreven als beperkt geweest door de beschikbare technologieën om het te bestuderen. Het brein is zo uitdagend - je hebt manieren nodig om het op te nemen en het te stimuleren. De kracht waarmee je deze dingen kunt doen, bepaalt het tempo van het onderzoek en van de uiteindelijke klinische toepassingen.
KINDEREN : Wat zijn de beperkingen van bestaande technologieën voor het bestuderen van neurowetenschappen?
CJ : Voor het grootste deel houdt het opnemen vanuit de hersenen in dat je door de schedel tuurt op manieren die fundamenteel beperkt zijn. FMRI, een grote vooruitgang en een van de krachtigste van deze technieken, meet de bloedstroom. U kunt dus nooit een betere resolutie krijgen dan de snelheid van de bloedstroom. Je komt nooit op het niveau van een enkele cel.
Aan de andere kant van het spectrum kunnen we een elektrode in de hersenen steken, meestal van dieren, een techniek die enorm belangrijk is geweest. Maar meestal kunnen we alleen opnemen van een of meerdere van de miljarden neuronen in de hersenen. Veel informatie is gecodeerd in de timing van de signalen tussen neuronen, die je niet kunt zien tenzij je van veel neuronen tegelijk opneemt.
We zijn ook beperkt door de duur die we kunnen opnemen. Als je een proces of gedrag wilt bestuderen dat weken duurt om te verwerven, moet je in staat zijn om over een lange periode naar de hersenen te kijken. Dat vermogen zou veel onderzoeksvragen oproepen: de processen die ten grondslag liggen aan gewoontevorming, langdurige degeneratie, zoals de ziekte van Alzheimer, of psychiatrische ziekten, die zich vaak in de loop van de jaren ontwikkelen.
Langdurige registratie is ook klinisch belangrijk voor hersenstimulatiebehandelingen voor de ziekte van Parkinson en depressie. [Bij deze procedure wordt een elektrode chirurgisch geïmplanteerd in een deel van de hersenen die bij de ziekte betrokken zijn. Het afgeven van elektrische pulsen via het implantaat blokkeert de elektrische signalen die trillingen en andere symptomen van de ziekte van Parkinson veroorzaken, en meer recentelijk heeft het enige belofte getoond bij de behandeling van ernstige depressie.] En het is belangrijk in prothetische apparaten voor verlammingsslachtoffers, waarin een apparaat registreert van het deel van de hersenen dat betrokken is bij de planning en vertaalt die activiteit vervolgens in beweging van een computercursor of kunstledemaat. De uitdaging is om iets te creëren dat je in de hersenen kunt implanteren en dat zich gedurende lange tijd consistent zal gedragen.
KINDEREN : Wat zijn enkele interessante nieuwe technologieën die je aan de neurowetenschapshorizon ziet?
CJ : Ik denk dat we een grote impact zullen zien van menselijke genetica. Onze buren van het Broad [Instituut] hebben bijvoorbeeld tools ontwikkeld om individuele variaties in onze genetische informatie te bekijken en zijn op zoek naar genen die betrokken zijn bij schizofrenie en bipolaire stoornis. (Zie Een nieuwe kaart voor gezondheid .) Tot nu toe zijn er maar weinig genen geïdentificeerd, dus er is echt een dringende behoefte om de genetische basis van deze ziekten bloot te leggen.
Een van de trends die we de afgelopen twee jaar hebben gezien, is de interesse in het combineren van genetica en beeldvorming van de hersenen. Als je een gen identificeert dat betrokken is bij psychiatrische aandoeningen, wil je je afvragen hoe dat gen het gedrag beïnvloedt en hoe het de hersenfunctie beïnvloedt. Het brein is een zwarte doos totdat je erin kijkt. De grootste uitdaging zal zijn om alle verbanden tussen genen en gedrag te leggen. Hoe interageren omgevingsinvloeden met genetica om de hersenen te vormen en gedrag te beïnvloeden?
KINDEREN : Wat voor soort technologieën wil je ontwikkelen?
CJ : Tot nu toe werken we samen met Ian Hunter, hoogleraar werktuigbouwkunde aan het MIT, die nanodraadelektroden ontwikkelt die veel fijner zijn dan stroomelektroden. (Zie Kleine elektroden voor de hersenen.) Je kunt ze in meer delen van de hersenen voeden terwijl je het weefsel minder beschadigt.
Een ander project is het ontwikkelen van nieuwe methoden voor fMRI. We willen reportermoleculen maken die gevoelig zijn voor verschillende [chemicaliën] in de hersenen, zoals calcium, een belangrijk signaalmolecuul. Een marker die verandert met de calciumconcentratie kan neurale activiteit met een veel grotere resolutie afbeelden dan de huidige methoden.
Op de lange termijn willen we grote projecten met een hoog risico en een hoge opbrengst bedenken. Als je naar fMRI kijkt, is het een radicaal nieuwe manier om naar de hersenen te kijken. Wat zal het over 20 jaar vervangen? Het sci-fi-beeld zou miniatuurapparaten zijn die zich in de haarvaten zouden nestelen en van nabije neuronen zouden opnemen en die gegevens door de schedel zouden verzenden. Bedenk wat je zou kunnen doen als je grote aantallen van deze dingen zou hebben die zichzelf van energie zouden kunnen voorzien en rond de hersenen zouden zwermen. We weten niet of het kan, maar er is mij verteld dat er geen theoretische reden is waarom het niet zou kunnen.