211service.com
Waarom Obama's Brain Mapping Project ertoe doet
Vorige week kondigde president Obama officieel 100 miljoen dollar aan financiering aan voor misschien wel het meest ambitieuze neurowetenschappelijke initiatief dat ooit is voorgesteld.
De Hersenonderzoek door het bevorderen van innovatieve neurotechnologieën , of BRAIN, zoals het project nu wordt genoemd, heeft tot doel de activiteit van elk afzonderlijk neuron te reconstrueren terwijl ze tegelijkertijd in verschillende hersencircuits vuren, of misschien zelfs hele hersenen.
Het volgende grote Amerikaanse project, zoals Obama het noemde, zou neurowetenschappers kunnen helpen de oorsprong van cognitie, perceptie en andere raadselachtige hersenactiviteiten te begrijpen, wat kan leiden tot nieuwe, effectievere behandelingen voor aandoeningen zoals autisme of stemmingsstoornissen en zou veteranen kunnen helpen die lijden aan hersenletsel.
Big brain-wetenschap is ook in de hoofden van Europeanen; de Europese Unie heeft onlangs een 10-jarig voorstel van bijna 1,2 miljard euro aangekondigd om het menselijk brein computationeel simuleren van het niveau van moleculen en neuronen tot door neuronale circuits.
Verschillende hulpmiddelen - van genetica en moleculaire biologie - hebben onderzoekers geholpen te begrijpen hoe neuronen zich als individuen gedragen. Maar neurowetenschappers kunnen nu slechts de activiteit van een handvol van deze hersencellen tegelijk bestuderen met behulp van spanningsgevoelige elektrodesondes.
Andere pogingen om de fysieke verbindingen in de hersenen in kaart te brengen zijn al aan de gang, maar deze projecten kijken ofwel naar dode hersenen of geven slechts een ruw beeld met een lage resolutie van hoe hersengebieden communiceren. Bijvoorbeeld de Allen Instituut voor Hersenwetenschap heeft verschillende zogenaamde hersenatlassen ontwikkeld die de fysieke verbindingen tussen neuronen in de hersenen van verschillende soorten in kaart brengen, evenals de patronen van unieke genetica in elk neuron. Hoewel deze statische kaarten geweldig zijn om meer te weten te komen over de architectuur van de hersenen, geven ze geen informatie over hoe neuronactiviteit leidt tot hersenfunctie.
Het is mogelijk om een globaal beeld te krijgen van de activiteit van het hele neurale circuit met behulp van hulpmiddelen zoals MRI en EEG, maar alleen met een lage resolutie. En het gedrag van de hersenen tussen deze twee schalen - hoe duizenden of miljoenen neuronen op elkaar inwerken om het gedrag van discrete circuits in de hersenen te controleren - was ontoegankelijk. Wetenschappers begrijpen nog niet hoe complexe interacties tussen veel neuronen tegelijk aanleiding geven tot neurale circuitfunctie.
Het BRAIN-initiatief stelt voor om nieuwe technologieën te ontwikkelen die de activiteit van duizenden, zo niet miljoenen of miljarden neuronen tegelijkertijd kunnen registreren op tijdschalen die overeenkomen met gedrag en mentale activiteiten. Het initiatief zal waarschijnlijk discrete hersencircuits binnen verschillende diersoorten aanpakken om te begrijpen hoe neuronen samenwerken om gedrag, stemmingen en andere mentale verschijnselen te veroorzaken.
Het ontwikkelen van nieuwe technologieën zal nodig zijn om de doelen van BRAIN te bereiken, en deze zullen waarschijnlijk profiteren van recente ontwikkelingen in nanotechnologie. Bestaande sensoren kunnen de elektrische activiteit van neuronen registreren, maar kunnen doorgaans minder dan 100 neuronen tegelijk bewaken.
Opkomende micro- en nanofabricagetechnieken zouden kunnen worden gebruikt om kleinere chips te maken met kleinere elektrische en zelfs chemische sondes die minder invasief zouden zijn. Nanosondes met enkele tientallen elektroden kunnen bijvoorbeeld worden gestapeld om honderdduizenden opnamelocaties te onderzoeken en gegevens draadloos te verzenden.
Als alternatief kunnen nanodeeltjes die moleculen dragen die ze naar specifieke celtypen brengen, zich in celmembranen nestelen, zodat chirurgische plaatsing niet nodig zou zijn. De nanodeeltjes kunnen ook moleculen bevatten die elektrische activiteit, druk of zelfs bepaalde chemicaliën kunnen detecteren die hersenactiviteit onthullen.
Nieuwe optische technieken zouden ook kunnen helpen bij het karteringsproject. Wanneer een neuron vuurt, neemt de hoeveelheid calcium in cellen toe, dus veel onderzoeksgroepen gebruiken calciumgevoelige fluorescerende kleurstoffen om neuronactiviteit te bestuderen. Maar deze meting wordt ooit verwijderd uit de werkelijke elektrische activiteit van het neuron. Een spanningsgevoelig fluorescerend molecuul of ander beeldvormend middel zou een nauwkeuriger beeld van de activiteit kunnen geven.
Synthetische biologie zou een ander nuttig hulpmiddel kunnen zijn. Enzymen die DNA-strengen vormen, zijn gevoelig voor ionenconcentratie en zullen in aanwezigheid van calcium meer fouten in hun DNA-productie introduceren. Als zodanig zouden deze enzymen kunnen worden gebruikt als sensoren voor neuronactiviteit. Een vooraf bepaalde DNA-sequentie zou in neuronen kunnen worden geïmplanteerd en, terwijl deze wordt gekopieerd, zou de resulterende DNA-streng een record opleveren van de patronen van fouten die overeenkomen met patronen van neuronactiviteit. Op fouten gestippelde strengen van verschillende neuronen kunnen later worden gesequenced.
Onderzoekers schetsten een ruwe routekaart voor het project in a 2012 voorstel . Het initiatief zal hoogstwaarschijnlijk beginnen met de ontwikkeling van verbeterde calcium-imaging-methoden voor het opnemen van neuron-vuren, gevolgd door voltage-imaging van neuron-activiteit. Aangezien deze twee methoden alleen naar oppervlaktestructuren zouden kijken (omdat licht niet ver in hersenweefsel kan komen), zou de derde stap de ontwikkeling van grote reeksen nanosondes kunnen zijn.
In de eerste vijf jaar kan het initiatief starten met kleine circuits, zoals het hele zenuwstelsel van de nematode C. elegans (die slechts 302 neuronen en 7.000 verbindingen heeft) en discrete circuits van de fruitvlieghersenen. Individuele circuits in het zenuwstelsel van een muis, zoals die in het netvlies of het reukcentrum, zouden binnen 10 jaar kunnen worden aangepakt en binnen 15 jaar kunnen wetenschappers de neuronale activiteit van de gehele neocortex van een muis reconstrueren.
Zelfs zonder het menselijk brein rechtstreeks te onderzoeken, zouden de resulterende inzichten een diepgaande invloed kunnen hebben op de neurowetenschappen en de geneeskunde, dat wil zeggen, als alles in dit volgende grote Amerikaanse project volgens plan verloopt.