Kāpēc Obamas smadzeņu kartēšanas projekts ir svarīgs

Pagājušajā nedēļā prezidents Obama oficiāli paziņoja par 100 miljonu ASV dolāru finansējumu neapšaubāmi vērienīgākajai neirozinātņu iniciatīvai, kas jebkad ierosināta.

The Smadzeņu pētniecība, attīstot novatoriskas neirotehnoloģijas BRAIN jeb BRAIN, kā tagad tiek saukts projekts, mērķis ir rekonstruēt katra atsevišķa neirona darbību, kad tie vienlaicīgi darbojas dažādās smadzeņu ķēdēs vai, iespējams, pat veselās smadzenēs.

Nākamais lielais amerikāņu projekts, kā to nosauca Obama, varētu palīdzēt neirozinātniekiem izprast izziņas, uztveres un citu mīklainu smadzeņu darbību izcelsmi, kas var radīt jaunas, efektīvākas ārstēšanas metodes tādiem stāvokļiem kā autisms vai garastāvokļa traucējumi un varētu palīdzēt veterāniem, kuri cieš no smadzeņu traumas.

Liela smadzeņu zinātne ir arī eiropiešu prātos; Eiropas Savienība nesen paziņoja par gandrīz 1,2 miljardu eiro 10 gadu priekšlikumu skaitļošanas veidā simulē cilvēka smadzenes no molekulu un neironu līmeņa uz augšu caur neironu ķēdēm.

Dažādi rīki - no ģenētikas un molekulārās bioloģijas - ir palīdzējuši pētniekiem saprast, kā neironi uzvedas kā indivīdi. Bet neirozinātnieki tagad spēj izpētīt tikai nedaudzu šo smadzeņu šūnu darbību vienlaikus, izmantojot sprieguma sensoru elektrodu zondes.

Citi mēģinājumi kartēt fiziskos savienojumus smadzenēs jau tiek veikti, taču šie projekti vai nu aplūko mirušās smadzenes, vai sniedz tikai aptuvenu, zemas izšķirtspējas priekšstatu par to, kā smadzeņu reģioni sazinās. Piemēram, Allena smadzeņu zinātnes institūts ir izstrādājis vairākus tā sauktos smadzeņu atlantus, kas kartē fizisko savienojumu starp neironiem dažādu sugu smadzenēs, kā arī unikālās ģenētikas modeļus katrā neironā. Lai gan šīs statiskās kartes ir lieliskas, lai uzzinātu par smadzeņu arhitektūru, tās nesniedz informāciju par to, kā neironu darbība izraisa smadzeņu darbību.

Ir iespējams iegūt aptuvenu priekšstatu par visas neironu ķēdes darbību, izmantojot tādus rīkus kā MRI un EEG, taču tikai ar zemu izšķirtspēju. Un smadzeņu uzvedība starp šīm divām skalām — kā tūkstošiem vai miljoniem neironu mijiedarbojas, lai kontrolētu diskrētu smadzeņu ķēžu uzvedību — ir bijusi nepieejama. Zinātnieki vēl nesaprot, kā sarežģīta mijiedarbība starp daudziem neironiem vienlaikus izraisa neironu ķēdes darbību.

Iniciatīva BRAIN piedāvā izstrādāt jaunas tehnoloģijas, kas var reģistrēt tūkstošiem, ja ne miljoniem vai miljardu neironu darbību vienlaicīgi laika grafikos, kas atbilst uzvedībai un garīgām aktivitātēm. Iniciatīva, iespējams, risinās atsevišķas smadzeņu ķēdes dažādās dzīvnieku sugās, lai saprastu, kā neironi darbojas kopā, lai izraisītu uzvedību, noskaņojumu un citas garīgās parādības.

Lai sasniegtu BRAIN mērķus, būs jāizstrādā jaunas tehnoloģijas, un tās, iespējams, izmantos jaunākos sasniegumus nanotehnoloģiju jomā. Esošie sensori var reģistrēt neironu elektrisko aktivitāti, bet parasti vienlaikus var uzraudzīt mazāk nekā 100 neironus.

Jaunās mikro- un nanoražošanas metodes varētu izmantot, lai izveidotu mazākas mikroshēmas ar mazākām elektriskām un pat ķīmiskām zondēm, kas būtu mazāk invazīvas. Piemēram, nanozondes ar vairākiem desmitiem elektrodu var tikt sakrautas, lai zondētu simtiem tūkstošu ierakstīšanas vietu un pārraidītu datus bezvadu režīmā.

Alternatīvi, nanodaļiņas, kas satur molekulas, kas tās noved pie noteiktiem šūnu tipiem, var ievietoties šūnu membrānās, tāpēc ķirurģiska ievietošana nebūtu nepieciešama. Nanodaļiņas var saturēt arī molekulas, kas var sajust elektrisko aktivitāti, spiedienu vai pat noteiktas ķīmiskas vielas, kas atklāj smadzeņu darbību.

Jaunas optiskās metodes varētu arī palīdzēt kartēšanas projektā. Kad neirons aizdegas, kalcija daudzums šūnās palielinās, tāpēc daudzas pētniecības grupas izmanto kalciju jutīgas fluorescējošas krāsvielas, lai pētītu neironu aktivitāti. Bet šis mērījums tiek noņemts no faktiskās neirona elektriskās aktivitātes. Spriegumu jutīga fluorescējoša molekula vai cits attēlveidošanas līdzeklis varētu nodrošināt precīzāku priekšstatu par aktivitāti.

Sintētiskā bioloģija varētu būt vēl viens noderīgs instruments. Fermenti, kas veido DNS virknes, ir jutīgi pret jonu koncentrāciju un ieviesīs vairāk kļūdu to DNS ražošanā kalcija klātbūtnē. Kā tādus šos fermentus varētu izmantot kā neironu aktivitātes sensorus. Iepriekš noteiktu DNS secību varētu implantēt neironos, un, kad tā tiek kopēta, iegūtā DNS virkne nodrošinātu kļūdu modeļu ierakstu, kas atbilst neironu aktivitātes modeļiem. Kļūdu plankumainās virknes no dažādiem neironiem vēlāk varēja sekvencēt.

Pētnieki ieskicēja aptuvenu projekta ceļvedi a 2012. gada priekšlikums . Iniciatīva, visticamāk, sāksies ar uzlabotu kalcija attēlveidošanas metožu izstrādi neironu aizdegšanās reģistrēšanai, kam sekos neironu aktivitātes sprieguma attēlveidošana. Tā kā šīs divas metodes aplūkotu tikai virsmas struktūras (jo gaisma nevar nokļūt tālu smadzeņu audos), trešais solis varētu būt lielu nanozondu masīvu izstrāde.

Pirmajos piecos gados iniciatīva var sākties ar mazām ķēdēm, piemēram, visu nematodes nervu sistēmu C. elegans (kurā ir tikai 302 neironi un 7000 savienojumu) un augļu mušu smadzeņu diskrētās ķēdes. Atsevišķas shēmas peles nervu sistēmā, piemēram, tīklenē vai ožas centrā, var tikt novērstas 10 gadu laikā, un 15 gadu laikā zinātnieki var rekonstruēt visas peles neokorteksa neironu aktivitāti.

Pat bez tiešas cilvēka smadzeņu izpētes, iegūtās atziņas varētu būtiski ietekmēt neirozinātni un medicīnu, tas ir, ja viss šajā nākamajā lielajā amerikāņu projektā noritēs saskaņā ar plānu.

paslēpties