211service.com
Syntetisk neurobiologi
När du programmerar en dator behöver du inte styra runt enskilda elektroner manuellt; om du gjorde det skulle komplexiteten att utföra även den enklaste beräkningen vara skrämmande. Det är uppenbart att att bygga eller fixa en komplex sak kräver ett lager av abstraktion, så att du kan lösa det specifika problemet för handen samtidigt som du ignorerar den underliggande komplexiteten. Problem i hjärnan måste också åtgärdas på lämpliga nivåer av abstraktion. Under den sista veckan i september deltog jag i en neuroteknikpanel på MIT. Ett tema dök tyst upp: olika neurologiska och psykiatriska problem kräver neurala kontrolltekniker som fungerar över olika rumsliga och tidsmässiga skalor. Kritiska designval måste göras: går du för en invasiv, rumsligt fokal neural stimulator eller för en icke-invasiv men rumsligt råare?
Fundera på frågan om hur du kan öka kognition och humör genom att stimulera utvalda neurala kretsar. Du vill förmodligen ha maximal flexibilitet – förmågan att ställa in humör, beslutsfattande, bedömning och så vidare, oberoende av varandra. Forskare har försökt förändra kognitiva funktioner genom icke-invasiv stimulering av kortikala hjärnregioner, var och en några kubikcentimeter i volym. Det har emellertid blivit tydligt att dessa hjärnregioner inte är de mest elementära av hjärnkretselementen. Till exempel kan manipulation av en specifik hjärnregion förändra många kognitiva och emotionella funktioner parallellt. Tänk på det konkreta exemplet transkraniell magnetisk stimulering (TMS) av höger prefrontala cortex. Under de senaste åren har studier visat att TMS i denna hjärnregion med ett standardprotokoll (en puls per sekund i 10 till 30 minuter) kan ändra beslutsfattande inför orättvisa , förbättra symptomen på depression , och öka risktagande beteende . Således kan det vara svårt att inducera ett specifikt, önskat hjärntillstånd, utan att inducera andra (kanske oönskade) hjärntillstånd, när de primitiva som övervägs är alla hjärnregioner. Det är uppenbart att detta bekväma abstraktionsskikt, som har varit framträdande genom århundraden av neurovetenskap, kommer att behöva förfinas för att utveckla en fullt flexibel arkitektur för kognitiv förstärkning.
Den svåra delen av neuroengineering är neurodelen. Vårt jobb är att skulptera neurala kretsars aktivitet så att den uppnår en önskad beräkning eller beteende, utan att framkalla förändringar som är icke-optimala. För några veckor sedan förklarade Doug Lauffenburger, ordförande för Biologisk teknikavdelning, för mig: Vad du gör är syntetisk neurobiologi, och drar paralleller mellan mitt labbs arbete och arbetet i labb som gör syntetisk biologi. Om du har följt området syntetisk biologi, vet du att en viktig utgångspunkt är skapandet av abstraktionslager för biologisk ingenjörskonst. Denna agenda inkluderar utvecklingen av standardiserade uppsättningar av grundläggande tekniska delar (dvs standardbitar av DNA som kodar för exakt definierade funktioner) och designregler för att bygga komplexa system av liknande (dvs sätt att koppla gennätverk för att uppnå önskade organismresultat ). Genom att följa designreglerna och använda de standardiserade delarna kan biologiska ingenjörer skapa nya biologiska system från grunden – system som är vettiga och fungerar på ett förutsägbart sätt.
I vårt labb har vi börjat sätta ihop en verktygslåda med metoder för att exakt kontrollera specifika neurala kretsprimitiver. Vi använder nu dessa verktyg för att lära oss hur man kontrollerar beteendeeffekter, med stor precision och kraft. Förhoppningsvis kommer vi på detta sätt att lära oss vad de neurobiologiska primitiverna är för att konstruera hjärnan och utveckla designregler för optimal kontroll av neurala kretsars produktion, särskilt i sjukdomstillstånd. Vi är i ett tidigt skede. De syntetiska biologerna började med den starka hypotesen att gener var det rätta abstraktionsskiktet. När allt kommer omkring är genomet grundläggande, och DNA är lätt att generera, manipulera och läsa. Men för neural beräkning vet vi inte vad DNA-ekvivalenten är. Är primitiva dendritiska grundämnen? Enstaka neuroner? Synaptiska kopplingar? Celltyper? Små nätverk? Stora nätverk? Och på vilka nervsystemsskalor ska vi läsa? Skrivande?
Ljuskontrollerbara neuroner. Kredit: J. Cardin, X. Han, X. Qian, C. Moore, E. Boyden.
Med största sannolikhet kommer abstraktionsskiktet för syntetisk neurobiologi att variera mycket mellan de olika neurologiska och psykiatriska störningarna som vi utvecklar lösningar för. En nyckeluppgift under de kommande åren blir att utveckla en metodik för att bedöma vilken beskrivningsnivå som är lämplig för att lösa ett specifikt problem. Även om mycket av mitt labbs arbete är fokuserat på att kontrollera mycket specifika neurala kretselement, genom att använda ljuspulser för att slå på eller av enskilda celltyper med hög precision, är det uppenbart att mycket kraftfulla verktyg kan existera på mycket högre abstraktionsnivåer. Till exempel, kognitiv beteendeterapi , där patienter lär sig hur man felsöker negativa tankar som bidrar till deprimerade känslor, är en djupgående och kraftfull neuroteknik. Och det är helt och hållet baserat på språket. Språkbaserad neuroteknik aktiverar uppsättningar av neuroner, fördelade över hela hjärnan, i mycket exakta mönster – och på sätt som kan orsaka förändringar som kan bestå under hela livet. Språk kan framkalla exakta förändringar i hjärnan som för människor till lycka, lära dem färdigheter, leda dem in i krig och få dem att känna empati eller hat eller upprymdhet. Som John Hockenberry påpekade för mig i våras är språk det ursprungliga hjärngränssnittet. Kanske uppstår komplexiteten i syntetisk neurobiologi från det faktum att hjärnteknik på något sätt är vad vi alla gör, hela tiden.
Citera som: Boyden, E. S. Synthetic Neurobiology. Ed Boydens blogg. Teknikgranskning. 10/9/07. ( http://www.technologyreview.com/blog/boyden/21871/ ).