211service.com
Sintētiskā neirobioloģija
Programmējot datoru, jums nav manuāli jāvada atsevišķi elektroni; ja jūs to darītu, pat visvienkāršāko aprēķinu veikšanas sarežģītība būtu biedējoša. Ir skaidrs, ka sarežģītas lietas celtniecībai vai labošanai ir nepieciešams abstrakcijas slānis, lai jūs varētu atrisināt konkrēto problēmu, vienlaikus ignorējot pamatā esošo sarežģītību. Smadzeņu problēmas ir jārisina arī atbilstošos abstrakcijas līmeņos. Septembra pēdējā nedēļā es piedalījos MIT neirotehnoloģiju panelī. Viena tēma klusi parādījās: dažādām neiroloģiskām un psihiatriskām problēmām ir nepieciešamas neironu kontroles tehnoloģijas, kas darbojas dažādos telpiskos un laika mērogos. Ir jāizdara būtiskas dizaina izvēles: vai izvēlēties invazīvu, telpiski fokusa neironu stimulatoru vai neinvazīvu, bet telpiski rupjāku?
Apsveriet jautājumu par to, kā jūs varētu uzlabot izziņu un garastāvokli, stimulējot atlasītās nervu ķēdes. Jūs, iespējams, vēlēsities maksimālu elastību — spēju pielāgot noskaņojumu, lēmumu pieņemšanu, spriedumu un tā tālāk neatkarīgi viens no otra. Pētnieki ir mēģinājuši mainīt kognitīvās funkcijas, neinvazīvi stimulējot garozas smadzeņu reģionus, katrs ar dažiem kubikcentimetriem. Tomēr ir kļuvis skaidrs, ka šie smadzeņu reģioni nav visvienkāršākie smadzeņu ķēdes elementi. Piemēram, manipulācijas ar vienu konkrētu smadzeņu reģionu var paralēli mainīt daudzas kognitīvās un emocionālās funkcijas. Apsveriet konkrētu piemēru transkraniālā magnētiskā stimulācija (TMS) labās prefrontālās garozas. Pēdējos gados pētījumi ir parādījuši, ka šī smadzeņu reģiona TMS ar standarta protokolu (viens impulss sekundē 10 līdz 30 minūtes) var mainīt lēmumu pieņemšanu, saskaroties ar negodīgumu , uzlabo depresijas simptomus , un palielināt riska uzņemšanos . Tādējādi var būt grūti izraisīt konkrētu, vēlamo smadzeņu stāvokli, neizraisot citus (iespējams, nevēlamus) smadzeņu stāvokļus, ja visi aplūkotie primitīvie ir smadzeņu reģioni. Skaidrs, ka šis ērtais abstrakcijas slānis, kas ir bijis pamanāms gadsimtiem ilgi neirozinātnēs, būs jāpilnveido, lai izstrādātu pilnībā elastīgu kognitīvās uzlabošanas arhitektūru.
Neiroinženierijas cietā daļa ir neirodaļa. Mūsu uzdevums ir veidot neironu ķēdes darbību tā, lai tā veiktu vēlamo aprēķinu vai darbību, neizraisot izmaiņas, kas nav optimālas. Dažas nedēļas atpakaļ Bioloģiskās inženierijas nodaļas vadītājs Dags Laufenburgers man paziņoja: Tas, ko jūs darāt, ir sintētiskā neirobioloģija, velkot paralēles starp manas laboratorijas darbu un to laboratoriju darbu, kas nodarbojas ar sintētisko bioloģiju. Ja esat sekojis sintētiskās bioloģijas jomai, jūs zināt, ka galvenais priekšnoteikums ir abstrakcijas slāņu izveide bioloģiskajai inženierijai. Šī darba kārtība ietver standartizētu inženiertehnisko pamatdaļu komplektu izstrādi (ti, standarta DNS gabalus, kas kodē precīzi noteiktas funkcijas) un projektēšanas noteikumus, lai izveidotu sarežģītas sistēmas no līdzīgām sistēmām (ti, veidi, kā savienot gēnu tīklus, lai sasniegtu vēlamos organizācijas rezultātus. ). Ievērojot projektēšanas noteikumus un izmantojot standartizētās daļas, bioloģiskie inženieri var izveidot jaunas bioloģiskās sistēmas no nulles — sistēmas, kurām ir jēga un kuras darbojas paredzamā veidā.
Mūsu laboratorijā mēs esam sākuši apkopot metožu rīku komplektu konkrētu neironu ķēžu primitīvu precīzai kontrolei. Mēs tagad izmantojam šos rīkus, lai iemācītos kontrolēt uzvedības rezultātus ar lielu precizitāti un jaudu. Cerams, ka šādā veidā mēs uzzināsim, kas ir neirobioloģiskās primitīvas smadzeņu inženierijai, un izstrādāsim dizaina noteikumus optimālai neironu ķēdes izvades kontrolei, īpaši slimības stāvokļos. Mēs esam sākuma stadijā. Sintētiskie biologi sāka ar stingru hipotēzi, ka gēni ir pareizais abstrakcijas slānis. Galu galā genoms ir fundamentāls, un DNS ir viegli ģenerēt, manipulēt un lasīt. Bet neironu aprēķiniem mēs nezinām, kas ir DNS ekvivalents. Vai primitīvie ir dendrītiskie elementi? Atsevišķi neironi? Sinaptiskie savienojumi? Šūnu veidi? Mazie tīkli? Lieli tīkli? Un pēc kādiem nervu sistēmas svariem mums vajadzētu lasīt? Rakstīšana?
Ar gaismu kontrolējami neironi. Kredīts: J. Cardin, X. Han, X. Qian, C. Moore, E. Boyden.
Visticamāk, sintētiskās neirobioloģijas abstrakcijas slānis ļoti atšķirsies dažādos neiroloģiskos un psihiskos traucējumos, kuriem mēs izstrādājam risinājumus. Nākamo gadu galvenais uzdevums būs izstrādāt metodiku konkrētas problēmas risināšanai atbilstoša apraksta līmeņa novērtēšanai. Lai gan liela daļa manas laboratorijas darba ir vērsta uz ļoti specifisku neironu ķēdes elementu kontroli, izmantojot gaismas impulsus, lai ar augstu precizitāti ieslēgtu vai izslēgtu atsevišķus šūnu tipus, ir skaidrs, ka ļoti spēcīgi instrumenti var pastāvēt daudz augstākos abstrakcijas līmeņos. Piemēram, kognitīvā uzvedības terapija , kurā pacienti mācās, kā atkļūdot negatīvās domas, kas veicina nomāktas sajūtas, ir dziļa un spēcīga neirotehnoloģija. Un tas ir pilnībā balstīts uz valodu. Uz valodu balstītas neirotehnoloģijas ļoti precīzos modeļos aktivizē neironu kopas, kas sadalītas visās smadzenēs — un tādos veidos, kas var izraisīt izmaiņas, kas spēj noturēties visu mūžu. Valoda var izraisīt precīzas izmaiņas smadzenēs, kas cilvēkus virza uz laimi, iemāca viņiem prasmes, ieved karā un liek izjust empātiju, naidu vai uzmundrinājumu. Kā pagājušajā pavasarī man norādīja Džons Hokenberijs, valoda ir sākotnējā smadzeņu saskarne. Iespējams, ka sintētiskās neirobioloģijas sarežģītība rodas no tā, ka smadzeņu inženierija zināmā mērā ir tas, ko mēs visi darām visu laiku.
Citēt kā: Boyden, E. S. Synthetic Neurobiology. Eda Boidena emuārs. Tehnoloģiju apskats. 9.10.2007. ( http://www.technologyreview.com/blog/boyden/21871/ ).