211service.com
Fueling Brain Research
Det senaste decenniet har sett en revolution i vår förståelse av hjärnan. Funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) ger forskare en bild av våra djupaste tankar och dolda oro. Små uppsättningar av elektroder som registrerar neurala signaler från de olika delarna av hjärnan avslöjar ledtrådar till hur våra neuroner kodar och skickar information. Men vilka upptäckter kommer nästa generations teknik att ge neurovetenskapen? Forskare vid MIT hoppas kunna skynda på det svaret med McGovern Institute Neurotechnology Program, ett nytt program dedikerat till utvecklingen av ny neuroteknik. Charles Jennings, nyanställd chef för programmet, pratar med Teknikgranskning om sin vision för framtiden.
Charles Jennings, nyanställd chef för McGovern Institute Neurotechnology Program, hoppas kunna uppmuntra utvecklingen av nästa generations teknik för hjärnan.
Teknikgranskning : Varför starta ett specifikt program för att utveckla neuroteknik?
Charles Jennings : Neurovetenskap har alltid både drivits och begränsats av den tillgängliga tekniken för att studera den. Hjärnan är så utmanande – du behöver sätt att spela in från och stimulera den. Kraften med vilken du kan göra dessa saker avgör takten i forskningen och de eventuella kliniska tillämpningarna.
BARN : Vilka är begränsningarna för befintlig teknik för att studera neurovetenskap?
CJ : För det mesta innebär inspelning från hjärnan att titta genom skallen på sätt som är fundamentalt begränsade. FMRI, som var ett stort framsteg och en av de mest kraftfulla av dessa tekniker, mäter blodflödet. Så du kan aldrig få en bättre upplösning än blodflödets hastighet. Du kan aldrig komma ner till nivån för en enda cell.
I andra änden av spektrumet kan vi sticka in en elektrod i hjärnan, vanligtvis hos djur, en teknik som har varit oerhört viktig. Men oftast kan vi bara spela in från en eller flera av de miljarder neuroner i hjärnan. Mycket information kodas i timingen av signalerna mellan neuroner, som du inte kan se om du inte spelar in från många neuroner samtidigt.
Vi är också begränsade av varaktigheten som vi kan spela in. Om du vill studera en process eller ett beteende som tar veckor att förvärva behöver du kunna titta på hjärnan över långa tidsperioder. Den förmågan skulle öppna upp många forskningsfrågor: de processer som ligger till grund för vanebildning, långvarig degeneration, som Alzheimers eller psykiatriska sjukdomar, som ofta utvecklas under åren.
Långtidsregistrering är också viktig kliniskt för hjärnstimuleringsbehandlingar för Parkinsons sjukdom och depression. [I detta förfarande implanteras en elektrod kirurgiskt i en del av hjärnan som är involverad i sjukdomen. Att leverera elektriska pulser via implantatet blockerar de elektriska signalerna som orsakar skakningar och andra symtom på Parkinsons sjukdom, och på senare tid har det visat sig lovande vid behandling av svår depression.] Och det är viktigt i proteser för förlamningsoffer, där en enhet registrerar från den del av hjärnan som är involverad i planering och sedan översätter den aktiviteten till rörelse av en datormarkör eller konstgjord lem. Utmaningen är att skapa något du kan implantera i hjärnan som kommer att bete sig konsekvent under långa tidsperioder.
BARN : Vad är några intressanta nya teknologier du ser på den neurovetenskapliga horisonten?
CJ : Jag tror att vi kommer att se en stor inverkan från mänsklig genetik. Våra grannar på Broad [Institute] har till exempel utvecklat verktyg för att titta på individuella variationer i vår genetiska information och letar efter gener involverade i schizofreni och bipolär sjukdom. (Se A New Map for Health .) Få gener har identifierats hittills, så det finns verkligen ett akut behov av att avslöja den genetiska grunden för dessa sjukdomar.
En av trenderna vi har sett under de senaste åren eller två är intresset för att kombinera genetik och hjärnavbildning. Om du identifierar en gen involverad i psykiatrisk sjukdom vill du fråga hur den genen påverkar beteendet och hur den påverkar hjärnans funktion. Hjärnan är en svart låda tills du tittar in i den. Den största utmaningen blir att dra alla kopplingar mellan gener och beteende. Hur interagerar miljöpåverkan med genetik för att forma hjärnan och påverka beteendet?
BARN : Vilken typ av teknik vill du utveckla?
CJ : Hittills samarbetar vi med Ian Hunter, professor i maskinteknik vid MIT, som utvecklar nanotrådselektroder som är mycket finare än nuvarande elektroder. (Se Små elektroder för hjärnan.) Du kan mata in dem i fler delar av hjärnan samtidigt som du gör mindre skada på vävnaden.
Ett annat projekt är att utveckla nya metoder för fMRI. Vi vill skapa reportermolekyler som är känsliga för olika [kemikalier] i hjärnan, som kalcium, en viktig signalmolekyl. En markör som förändras med kalciumkoncentrationen kan avbilda neural aktivitet med mycket högre upplösning än nuvarande metoder.
På lång sikt vill vi tänka stora projekt med hög risk och hög lönsamhet. Om du tittar på fMRI är det ett radikalt nytt sätt att se på hjärnan. Vad kommer att ersätta den 20 år framåt? Sci-fi-vyn skulle vara miniatyrenheter som skulle sätta sig i kapillärerna och spela in från närliggande neuroner och överföra dessa data genom skallen. Tänk vad du skulle kunna göra om du hade ett stort antal av dessa saker som kunde driva sig själva och svärma runt hjärnan. Vi vet inte om det kan göras, men jag har fått höra att det inte finns någon teoretisk anledning till varför det inte kunde göras.