Varför Obamas hjärnkartläggningsprojekt är viktigt

Förra veckan tillkännagav president Obama officiellt 100 miljoner dollar i finansiering för det utan tvekan mest ambitiösa neurovetenskapliga initiativet som någonsin föreslagits.

De Hjärnforskning genom att främja innovativ neuroteknik , eller BRAIN, som projektet nu kallas, syftar till att rekonstruera aktiviteten hos varje enskild neuron när de eldar samtidigt i olika hjärnkretsar, eller kanske till och med hela hjärnor.

Nästa stora amerikanska projekt, som Obama kallade det, skulle kunna hjälpa neuroforskare att förstå ursprunget till kognition, perception och andra gåtfulla hjärnaktiviteter, vilket kan leda till nya, mer effektiva behandlingar för tillstånd som autism eller humörstörningar och kan hjälpa veteraner som lider av hjärnskador.

Stor hjärnvetenskap finns också i huvudet på européerna; Europeiska unionen tillkännagav nyligen ett förslag på nästan 1,2 miljarder euro, 10 år beräkningssimulera den mänskliga hjärnan från nivån av molekyler och neuroner upp genom neuronala kretsar.

Olika verktyg – från genetik och molekylärbiologi – har hjälpt forskare att förstå hur neuroner beter sig som individer. Men neuroforskare kan nu endast studera aktiviteten hos en handfull av dessa hjärnceller åt gången med hjälp av spänningsavkännande elektrodsonder.

Andra ansträngningar för att kartlägga de fysiska kopplingarna i hjärnan är redan igång, men dessa projekt tittar antingen på döda hjärnor eller ger bara en grov, lågupplöst bild av hur delar av hjärnan kommunicerar. Till exempel Allen Institute for Brain Science har utvecklat flera så kallade hjärnatlaser som kartlägger de fysiska kopplingarna mellan neuroner i olika arters hjärnor samt mönstren av unik genetik i varje neuron. Även om dessa statiska kartor är bra att lära sig om hjärnans arkitektur, ger de inte information om hur neuronaktivitet leder till hjärnans funktion.

Det är möjligt att få en grov bild av aktiviteten i hela den neurala kretsen med hjälp av verktyg som MRI och EEG, men bara med låg upplösning. Och hjärnans beteende mellan dessa två skalor – hur tusentals eller miljoner neuroner interagerar för att kontrollera beteendet hos diskreta kretsar i hjärnan – har varit otillgängligt. Forskare förstår ännu inte hur komplexa interaktioner mellan många neuroner samtidigt ger upphov till neurala kretsfunktioner.

BRAIN-initiativet föreslår att man utvecklar ny teknik som kan registrera aktiviteten från tusentals, om inte miljoner eller miljarder, neuroner samtidigt på tidsskalor som matchar beteende och mentala aktiviteter. Initiativet kommer sannolikt att ta itu med diskreta hjärnkretsar inom olika djurarter för att förstå hur neuroner samverkar för att ge upphov till beteenden, stämningar och andra mentala fenomen.

Att utveckla nya teknologier kommer att vara nödvändigt för att uppnå målen för BRAIN, och dessa kommer sannolikt att dra nytta av de senaste framstegen inom nanoteknik. Befintliga sensorer kan registrera den elektriska aktiviteten hos neuroner, men kan vanligtvis övervaka färre än 100 neuroner åt gången.

Framväxande mikro- och nanotillverkningstekniker skulle kunna användas för att skapa mindre chips som bär mindre elektriska och till och med kemiska sonder som skulle vara mindre invasiva. Nanosonder som bär flera dussin elektroder kan till exempel staplas för att undersöka hundratusentals inspelningsplatser och överföra data trådlöst.

Alternativt kan nanopartiklar som bär molekyler som för dem till specifika celltyper fastna i cellmembranen så att kirurgisk placering inte skulle vara nödvändig. Nanopartiklarna kan också bära på molekyler som kan känna av elektrisk aktivitet, tryck eller till och med vissa kemikalier som avslöjar hjärnaktivitet.

Nya optiska tekniker kan också hjälpa kartläggningsprojektet. När en neuron avfyras ökar mängden kalcium inuti cellerna, så många forskargrupper använder kalciumkänsliga fluorescerande färgämnen för att studera neurons aktivitet. Men denna mätning är en gång borttagen från den faktiska elektriska aktiviteten hos neuronen. En spänningskänslig fluorescerande molekyl eller annat avbildningsmedel kan ge en mer exakt bild av aktiviteten.

Syntetisk biologi kan vara ett annat användbart verktyg. Enzymer som bygger DNA-strängar är känsliga för jonkoncentration och kommer att introducera fler fel i deras DNA-produktion i närvaro av kalcium. Som sådana skulle dessa enzymer kunna användas som sensorer för neuronaktivitet. En förutbestämd DNA-sekvens skulle kunna implanteras i neuroner och, när den kopieras, skulle den resulterande DNA-strängen tillhandahålla en registrering av de mönster av fel som motsvarar mönster av neuronaktivitet. Felprickade strängar från olika neuroner kunde senare sekvenseras.

Forskare skissade ut en grov färdplan för projektet i en 2012 års förslag . Initiativet kommer med största sannolikhet att börja med utveckling av förbättrade kalciumavbildningsmetoder för att registrera neuronavfyrning, följt av spänningsavbildning av neuronaktivitet. Eftersom dessa två metoder endast skulle titta på ytstrukturer (eftersom ljus inte kan resa långt in i hjärnvävnaden), kan det tredje steget vara utvecklingen av stora uppsättningar av nanosonder.

Under de första fem åren kan initiativet börja med små kretslopp, såsom nematodens hela nervsystem C. elegans (som bara har 302 neuroner och 7 000 anslutningar) och diskreta kretsar i fruktflugans hjärna. Individuella kretsar i ett musnervsystem, som det i näthinnan eller luktcentret, skulle kunna hanteras inom 10 år, och inom 15 år kan forskare kanske rekonstruera neuronaktiviteten hos en muss hela neocortex.

Även utan att direkt utforska den mänskliga hjärnan kan de resulterande insikterna ha en djupgående inverkan på neurovetenskap och medicin – det vill säga om allt i detta nästa stora amerikanska projekt går enligt plan.

Dölj