Progetto BRAIN

La scienza dietro progetto BRAIN di Obama.
Su 2 aprile 2013 il presidente Obama ha annunciato l' iniziativa BRAIN , un progetto finalizzato alla comprensione delle attività del cervello ad un livello di dettaglio che non ha precedenti. Molto è stato detto e scritto su l'iniziativa, ma alcune persone si sentono al buio su quali siano i suoi scopi precisi.Sebbene annunciando il progetto prima gli obiettivi sono stati fissati nel cemento potrebbe aver sollevato alcune preoccupazioni 1 , 2 , 3 , 12 , io personalmente vedo come un modo fresco e aperto per procedere. Si dà la possibilità a tutti di esprimere la propria opinione. Di Sebastian Seung Twitter commento illustra molto bene:

@ @ Emckiernan13 eperlste Non destinato ... si dovrebbe unirsi al dibattito, facendo argomentazioni costruttive su come spendere i soldi. SebastianSeung, 2 Apr 2013 .

Per questo post vorrei lasciare da parte l'aspetto politico - credo che come un francese canadese mio punto di vista sulla politica americana è di interesse limitato. Per i curiosi, mi limiterò a dire che credo che sia un progetto molto interessante. Si potrebbe finire per avere altrettanto impatto come i grandi progetti scientifici che gli Stati Uniti hanno guidato durante il secolo scorso tra cui l'esplorazione dello spazio e del sequenziamento del genoma umano.

Quello che vorrei fare è raggruppare le informazioni che sono attualmente disponibili sul l'aspetto scientifico e sfide tecniche che attendono il progetto BRAIN e li presentano a voi in termini più semplici possibili. Penso che sia importante per me per specificare che non ho particolare l'accesso agli scienziati di quel progetto e il resto di questo testo non è informazione "insider" - si basa su riferimenti pubblicati che sono elencati alla fine del post.

I sostenitori del progetto BRAIN sostengono che è tempo per un "impegno su larga scala nel campo delle neuroscienze per creare e applicare una nuova generazione di strumenti per consentire la mappatura funzionale e controllo delle attività neurale nel cervello con cellulare e risoluzione di un millisecondo" 4 .

http://blog.brainfacts.org/wp-content/uplo...-03-300x228.jpg
Una fila di neuroni nella regione CA1 dell'ippocampo, una parte del cervello coinvolta nella memoria. Se si guarda da vicino, c'è un pezzo di vetro a forma di V in cima a uno dei neuroni centrali. Questo è un elettrodo patch, una delle tecniche attualmente utilizzate per registrare neuroni specifici nel cervello. La sfida del progetto BRAIN è sviluppare una tecnica che ha una risoluzione e precisione simili, ma che potrebbe essere applicato a milioni di neuroni, invece di uno solo. Foto da Rosentod rilasciato nel pubblico dominio.

Questo significa registrando molti neuroni nel cervello e avente elevata precisione in termini di tempo e di spazio. Risoluzione di un millisecondo significa conoscere lo stato del neurone mille volte al secondo. Si prevede inoltre che le tecniche forniranno alta risoluzione spaziale. Risoluzione Cellular significa che i neuroni vengono registrate una alla volta (vedi figura a sinistra), non come un insieme, come è il caso di brain imaging. Questi due livelli di precisione sono piuttosto comuni in neurofisiologia. Sappiamo come inserire minuscoli elettrodi nel cervello per registrare o stimolare un paio di neuroni - la tecnica è già applicato per curare alcune malattie . Quali sarebbero romanzo è che, invece di registrazione 1, 2 o 3 neuroni, il progetto cervello sarebbe lo sviluppo di strumenti che ci permettono di registrare da migliaia a milioni di neuroni contemporaneamente. Un milione di neuroni è circa quello che sarebbe necessario per registrare completamente il cervello del pesce zebra 4 .

Come saranno neuroscienziati in grado di registrare un milione di neuroni se le attuali tecniche diffuse consentono solo la registrazione di un piccolo numero di loro? La risposta è che noi non sappiamo ancora esattamente - l'obiettivo del progetto è quello di sviluppare le tecnologie - ma alcune possibilità vengono in mente e vengono sollevate dai proponenti del progetto BRAIN. Io quindi riesaminare queste possibilità e segnalare a una sfida specifica, pro e contro di ciascuna di queste tecniche. Questo dovrebbe fornire una panoramica del perché il progetto BRAIN costituisce un progresso e che tipo di progresso tecnologico ci si può aspettare da essa. Questo non è in alcun modo una ricca lista, ma una (si spera) descrizione di facile lettura delle potenziali vie che sono state discusse.

1. Il nastro ticker molecolare.

L'obiettivo principale del progetto BRAIN è quello di sviluppare tecnologie per registrare le attività del cervello. Una delle sfide che è stato discusso e che i neuroscienziati potrebbero tentare di affrontare è quello di creare un nastro ticker molecolare. Lo sviluppo di questa tecnica può essere considerato un "colpo di luna". Non sappiamo se funzionerà, non abbiamo idea di come pratico sarà, ma se sviluppato correttamente il payoff sarà enorme. In linea di principio si tratta di un modo molto realistico per registrare le attività neuronali, ma nessuno ha ancora applicato. Esso consiste nell'usare una molecola che viene espresso in cellule biologiche: DNA polimerasi (DNAP), o molecole simili che producono lunghe stringhe di altre molecole.

DNA Polymerase http://blog.brainfacts.org/2013/04/the-sci...dna_polymerase/
Illustrazione della DNA polimerasi, una delle molecole che potrebbero essere utilizzati per creare molecole di DNA che sarebbero stati utilizzati come un molecolare "ticker tape" (una registrazione) di attività neurale. Foto da Yikrazuul rilasciato sotto Creative Commons licenza.

Quelle piccole macchine molecolari sono parte della nostra normale arsenale biologico. Essi hanno il compito di copiare il nostro DNA. Il DNA è la molecola che contiene il codice per costruire tutte le proteine ​​del nostro corpo. La polimerasi rende le operazioni sul DNA in una scala molto piccola (che non possiamo vedere quelli che utilizzano un microscopio tradizionale). La polimerasi è essenziale per creare le copie di DNA che vengono trasferiti alle cellule figlie quando le cellule si dividono durante lo sviluppo . Grazie alla polimerasi e molti altri enzimi, il DNA che è presente alla prima nell'uovo vengono copiati ogni cellula dell'embrione e successivamente ad ogni cellula del corpo dell'animale come si sviluppa. Stringhe di DNA saltar fuori da un lato della polimerasi un po 'come un lungo foglio di carta sarebbe venuto fuori da una stampante.

L'idea di utilizzare polimerasi come questo per registrare le attività neurali è stato discusso da molti, tra cui George Church e Konrad P. Kording 5 , 6 . Dal momento che l'enzima sta già lavorando bene per scrivere le informazioni sulle sequenze di DNA, gli scienziati pensano di poter "sfruttare" per scrivere l'attività neurale di un neurone su una stringa di DNA. Ciò è dovuto ad una fortunata "difetto" di questa molecola, tendono a fare errori - non perfettamente copiatura del DNA. In particolare, la più calcio c'è nella cella, più probabilmente la polimerasi rende errori nella copiatura del DNA. Non c'è alcuna ragione particolare per questo, semplicemente non fare copie perfette. Per fortuna, quando i neuroni sono attivi, di solito è seguita con un aumento di calcio nel loro corpo cellulare e dendriti. Così si può immaginare una DNA polimerasi che genererebbe una stringa fittizia di DNA in ogni neurone del cervello e renderebbe più errori quando c'è calcio nel neurone. Il DNA sarebbe come un micro-documento, conservato in una regione della cellula dove si probabilmente non interferirebbe con le normali funzioni cellulari. Recuperare i manichini di DNA di ciascuno neuroni ci permetterebbe di avere una "registrazione" dei momenti in cui la polimerasi stava facendo nessun errore (neuroni silenti) e quando faceva errori (neuroni attivi). Questo sarebbe letteralmente fornirci una storia della attività neurale di cellule specifiche.

Sembra che le stringhe di DNA non sarebbe troppo lungo e che potremmo essere in grado di ottenere i dati da lunghi periodi di tempo. Alivisatos e colleghi ha fatto una stima approssimativa di circa 7 giorni di attività neurale che possono essere codificati in un piccolo pacchetto di 5 micron di diametro di DNA sintetico 7 .

La capacità di DNA per la fitta di memorizzazione delle informazioni è davvero notevole. In linea di principio, una cellula sintetica a 5 micron di diametro poteva contenere almeno 6 miliardi di paia di basi di DNA, che potrebbero codificare 7 giorni di chiodare dati a 100 Hz con ridondanza 100 volte.

Vi è un grande post al Nucleo blog Ambiguo sul metodo di nastro molecolare ticker.

Sfide

1. Creare la versione personalizzata del DNA polimerasi e dimostrare che funziona.

2. Studiare alternative agli errori indotti calcio.

Ci sono molte ragioni per cui la tecnica di errori di calcio indotto che è per ora il metodo più sviluppata (anche se non ancora completamente sviluppato) potrebbe non essere il modo migliore per registrare l'attività neurale. Prima, il calcio entra relativamente lento nel neurone quando si eccitano. In secondo luogo le concentrazioni di calcio, quando i neuroni sono eccitati, variano a seconda di dove ci si trova nella cella.

Una possibilità di superare questi problemi potrebbe essere quella di attaccare il DNA polimerasi ad un'altra molecola che conferiscono proprietà aggiuntive. Per esempio, il canale del sodio è una molecola presente in quasi tutti i neuroni e rileva piccole variazioni di tensione in neuroni già. Forse potremmo fare affidamento su questo canale di sodio provarci con la polimerasi un po 'come un martello su un chiodo. Vi è in realtà un certo numero di canali come il canale di sodio che può essere pensato come alternative per migliorare la tecnica ma nessuno di loro, compreso il canale di sodio, sono stati testati e sono noti per lavorare in qualsiasi modo. Non ho alcun dubbio che queste possibilità sono all'esame nei laboratori interessati a sviluppare tali tecniche.

3. Risolvere il problema di cui si sta registrando cella.

Quando si estraggono le "registrazioni" dal cervello, ci ritroviamo con milioni di stringhe di DNA, ma sarà impossibile sapere da quale neurone vengono. Per essere valido l'approccio ticker tape molecolare richiederà imprimendo ogni stringa di DNA con una sorta di codice a barre, che potrebbe consentire di conoscere da quale neurone viene la registrazione. Non si sa ancora che cosa sarà fatto per risolvere questo problema, ma alcune delle possibilità includono la generazione di un codice casuale specifica per ogni neurone 8 . Questa idea richiede più sviluppo per diventare pratico. C'è anche una serie di molecole che sono più o meno concentrate in certi punti del cervello come la molecola chiamata Sonic hedgehog . Rilevare quelle molecole e stampa delle informazioni sulla stringa di DNA potrebbe essere un modo per sapere dove la registrazione viene.

Pro

- Questa sarebbe la migliore tecnica che possiamo pensare per registrare tutti i neuroni in un cervello.

Con

- E non è ancora sviluppato.

2. Imaging ottico.

La tecnica di imaging ottico è già ampiamente usato per registrare le attività neurali. Mi hanno usata. Consiste nell'inserire una molecola che reagisce alla luce nei neuroni. Imaging di calcio è un esempio in cui la molecola inserita nel neurone cambia il colore emette basata sulla concentrazione di calcio nella cellula. Quanto più il neurone è eccitato, più esso appare come "brillante" sotto il microscopio. Questo permette riprese della parte del cervello di interesse e monitoraggio delle attività di decine, fino a centinaia o migliaia di neuroni contemporaneamente.

Sfidare

1. Per raggiungere il grado di risoluzione spaziale e il numero di neuroni che il progetto BRAIN si rivolge, il metodo dovrà essere migliorato se esso è destinato a registrare i neuroni a comportarsi mammiferi. Per ora la tecnica viene principalmente utilizzato su neuroni mantenuti in condizioni artificiali e non sappiamo se lo spessore del cervello sarà un ostacolo insormontabile per registrare molti neuroni negli animali. Negli animali con cervello molto trasparenti e piccoli come zebrafish, potrebbe ancora essere possibile. La grande sfida è che abbiamo bisogno di inviare la luce per i neuroni e quindi ricevere la luce emessa dai neuroni.

Pro

- Metodo realistico che ha dimostrato di funzionare già.

Con

- Difficile da applicare nelle parti profonde del cervello ed è generalmente più utile sui neuroni mantenuti in condizioni artificiali, raramente in comportamenti animali o esseri umani.

3. Nanoprobes a base di silicio.

Con progressi nella microelettronica, ci si potrebbe aspettare che potrebbe diventare possibile semplicemente creare tali piccole sonde elettriche che sarebbe possibile inserire migliaia di loro seemlessly nel cervello, fornendo così molte migliaia di siti di registrazione 7 . Queste tecniche vengono già utilizzati - con un centinaio di siti di registrazione a lavorare su una sonda di essere disponibile. Per ora sono state utilizzate per lo sviluppo di interfacce cervello-macchina, che sono protesi che i pazienti possono utilizzare per controllare arti artificiali con il loro cervello 9 , 10 .

Sfidare

1. Renderli più piccoli con più siti di registrazione.

Pro

- Metodo realistico che ha dimostrato di funzionare già.

Con

- La tecnica è invasiva e richiede l'aggiunta di un pezzo di elettronica nel cervello.

Altri aspetti.

Nel testo più recente pubblicato dai proponenti del progetto BRAIN 4 , evidenziano anche che l'attività dei neuroni nel cervello non solo devono essere registrati, ma che le tecnologie dovrebbero essere ulteriormente sviluppati per alterare l'attività neurale. Ci sono già tecniche ottiche che permettono ai ricercatori di inviare raggi di luci per le regioni del cervello in cui i neuroni sono dotati di recettori della luce - questa tecnica può essere usata per arrestare o eccita alcuni neuroni 11 . Questo è essenziale per i ricercatori a valutare se i neuroni sono attivamente coinvolti in un comportamento specifico.

Ci sono anche molte tecniche che stanno comparendo per mappare le connessioni tra i neuroni, alcuni dei quali si basano su contributi del pubblico in generale, come EyeWire . Sebbene queste tecniche ci mostrano le connessioni senza rivelare le funzioni, è probabile che essi possono essere utilizzati in combinazione con le tecniche precedentemente discusse per mappare le connessioni tra i neuroni registrati.

Un aspetto che è stato molto meno discussa è che tipo di comportamento sarà studiato. E 'una cosa da dire otteniamo registrazioni neurali di milioni di neuroni, è un'altra cosa da decidere cosa vogliamo sudditi di fare. Sarà il progetto di includere primi tentativi di applicazione di tali metodi per capire la percezione, controllo motore, il processo decisionale? Sembra che per ora gli esperimenti precisi che verranno eseguiti viene lasciata aperta.

Infine una domanda interessante a sinistra è come i dati saranno resi accessibili al grande comunità neuroscientifica e anche il pubblico in generale 4 . Gli autori riferiscono che l'enorme quantità di dati provenienti da tali numeri elevati di neuroni potrebbe richiedere analisi da un'ampia comunità. Resta da stabilire quali mezzi saranno adottate per rendere tali dati accessibili, ma penso che sarebbe molto bello se i membri del pubblico possono partecipare a scavare tra le numerose registrazioni!

Spero di aver chiarito quali sono le finalità del progetto sono stati, per quanto riguarda ciò che è stato discusso in un forum scientifico pubblici fino ad ora. Tenete a mente che non avremo un primo documento ufficiale da parte del comitato di essere consultato per questo progetto entro la fine dell'anno, quindi tutto potrebbe cambiare.

Riferimenti

1. Christopher Chabris (2013) Quanto BAM per il dollaro, e altre notizie sullo Brain Activity Map progetto. http://http://blog.chabris.com.

2. John Markoff (2013) Obama intendono potenziare Studio del cervello umano . New York Times.

3. Giovanna Garbarino (2013) A 3 Billion Dollar Mistake: Perché il governo americano dovrebbe pensare due volte prima di una attività cerebrale Mappa (BAM) . http://http://incubator.rockefeller.edu.

4. A. Paul Alivisatos, Miyoung Chun, George M. Chiesa, Karl Deisseroth, John P. Donoghue, Ralph J. Greenspan, Paul L. McEuen, Michael L. Roukes, Terrence J. Sejnowski, Paul S. Weiss, Rafael Yuste (2013 ) The Brain Activity Map . Science 339:1284-1285.

5. Bradley Michael Zamft, Adam H. Marblestone, Konrad Kording, Daniel Schmidt, Daniel Martin-Alarcon, Keith Tyo, Edward S. Boyden, George Church (2012) Misurare cationi dipendenti DNA Polymerase Fidelity Paesaggi da Deep Sequencing . PLoS ONE 7: e43876.

6. Konrad P. Kording (2011) di Toasters e molecolari Nastri Ticker . PLoS Computational Biology 7: e1002291.

7. A. Paul Alivisatos, Miyoung Chun, George M. Chiesa, Ralph J. Greenspan, Michael L. Roukes, Rafael Yuste (2012) The Brain Activity Map progetto e la sfida della connectomics funzionali . 74:970-974.

8. Anthony M. Zador, Joshua Dubnau, Hassana K. Oyibo, Huiqing Zhan, Gang Cao, Ian D. Peikon (2013) Sequenziamento del Connectome . PLoS Biology 10: e1001411.

9. Hochberg LR, Bacher D, Jarosiewicz B, Masse NY, Simeral JD, Vogel J, Haddadin S, Liu J, Cash SS, van der Smagt P, Donoghue JP (2012) raggiungere e afferrare da persone con tetraplegia utilizzando un braccio robotico neurale controllata . Natura 485:372-5.

10. Pais-Vieira M, Lebedev MA, MC Wiest, Nicolelis MA (2013) Modulazione top-down simultanea della corteccia somatosensoriale primaria e nuclei talamici durante discriminazione tattile attiva. Journal of Neuroscience 33:4076-93.

11. Kim TI, McCall JG, Jung YH, Huang X, Siuda ER, Li Y, Song J, Song YM, Pao HA, Kim RH, Lu C, Lee SD, canzone è, Shin G, Al-Hasani R, Kim S, Tan MP, Huang Y, Omenetto FG, Rogers JA, Bruchas MR. (2013) iniettabili, cellulare scala optoelettronica con applicazioni per optogenetics wireless. Scienza 340:211-6.

12. Scicurious (2013) L'iniziativa CERVELLO: BAM o busto? . Scientific Blog americano.

fonte http://blog.brainfacts.org/2013/04/the-sci...t/#.UgY6ZtL8GiR

Non mi sento di condividere tanto entusiasmo su questa ricerca.
No vi è dubbio che questa tecnologia,queste conoscienze, possano portare a dei risultati benefici per l'umanita,ma è altrettanto vero che i pericoli derivanti da un uso improprio possono portare a risultati devastanti.
Un potere che in mano a pochi porterebbe ad un controllo opprimente e totale sull'uomo.
Siamo sicuri che l'uso che se ne fara sara a nostro beneficio?

orso in piedi