211service.com
Syntetická neurobiologie
Když programujete počítač, nemusíte jednotlivé elektrony řídit ručně; pokud ano, složitost provádění i toho nejjednoduššího výpočtu by byla skličující. Je jasné, že stavba nebo oprava složité věci vyžaduje vrstvu abstrakce, takže můžete vyřešit konkrétní problém a ignorovat základní složitost. Problémy mozku musí být také řešeny na vhodných úrovních abstrakce. Poslední týden v září jsem se zúčastnil neurotechnologického panelu na MIT. Jedno téma se tiše objevilo: různé neurologické a psychiatrické problémy vyžadují technologie neurální kontroly, které fungují v různých prostorových a časových měřítcích. Musí být učiněna kritická rozhodnutí ohledně designu: zvolíte invazivní, prostorově fokální nervový stimulátor nebo neinvazivní, ale prostorově hrubší?
Zvažte otázku, jak byste mohli zvýšit kognici a náladu stimulací vybraných nervových okruhů. Pravděpodobně budete chtít maximální flexibilitu – schopnost vyladit náladu, rozhodování, úsudek a tak dále, nezávisle na sobě. Výzkumníci se pokusili změnit kognitivní funkce neinvazivní stimulací kortikálních oblastí mozku, každá o objemu několika kubických centimetrů. Je však jasné, že tyto oblasti mozku nejsou nejzákladnějšími prvky mozkových okruhů. Například manipulace s jednou konkrétní oblastí mozku může paralelně změnit mnoho kognitivních a emočních funkcí. Zvažte konkrétní příklad transkraniální magnetická stimulace (TMS) pravé prefrontální kůry. V posledních několika letech studie ukázaly, že TMS této oblasti mozku se standardním protokolem (jeden puls za sekundu po dobu 10 až 30 minut) může změnit rozhodování tváří v tvář nespravedlnosti , zlepšit příznaky deprese , a zvýšit rizikové chování . Může být tedy obtížné navodit specifický, požadovaný stav mozku, aniž by došlo k vyvolání jiných (možná nežádoucích) mozkových stavů, když uvažovanými primitivy jsou všechny oblasti mozku. Je zřejmé, že tato pohodlná vrstva abstrakce, která byla prominentní napříč staletími neurovědy, bude muset být zdokonalena, aby se vyvinula plně flexibilní architektura pro kognitivní augmentaci.
Nejtěžší částí neuroinženýrství je neuro část. Naším úkolem je vytvarovat aktivitu nervového obvodu tak, aby prováděla požadovaný výpočet nebo chování, aniž by vyvolala změny, které nejsou optimální. Před několika týdny mi předseda katedry biologického inženýrství Doug Lauffenburger prohlásil: To, co děláte, je syntetická neurobiologie, čímž dochází k paralelám mezi prací mé laboratoře a prací laboratoří, které se zabývají syntetickou biologií. Pokud sledujete oblast syntetické biologie, budete vědět, že hlavním předpokladem je vytváření abstrakčních vrstev pro biologické inženýrství. Tato agenda zahrnuje vývoj standardizovaných sad základních inženýrských částí (tj. standardních částí DNA, které kódují přesně definované funkce) a návrhová pravidla pro budování složitých systémů z podobných systémů (tj. způsoby propojení genových sítí za účelem dosažení požadovaných organismů). ). Dodržováním pravidel návrhu a používáním standardizovaných částí mohou biologičtí inženýři vytvořit zcela nové biologické systémy – systémy, které dávají smysl a fungují předvídatelným způsobem.
V naší laboratoři jsme začali sestavovat sadu nástrojů pro přesné ovládání specifických primitiv neuronových obvodů. Nyní používáme tyto nástroje, abychom se naučili, jak řídit výstupy chování s velkou přesností a silou. Doufejme, že se tímto způsobem naučíme, co jsou neurobiologická primitiva pro inženýrství mozku, a vyvineme konstrukční pravidla pro optimální řízení výstupu nervového obvodu, zejména při chorobných stavech. jsme v rané fázi. Syntetičtí biologové začali se silnou hypotézou, že geny jsou správnou abstraktní vrstvou. Koneckonců, genom je základní a DNA lze snadno generovat, manipulovat a číst. Ale pro neurální výpočty nevíme, co je ekvivalent DNA. Jsou primitivové dendritické prvky? Jednotlivé neurony? Synaptické spojení? Typy buněk? Malé sítě? Velké sítě? A v jakých měřítcích nervového systému bychom měli číst? Psaní?
Světlem ovladatelné neurony. Poděkování: J. Cardin, X. Han, X. Qian, C. Moore, E. Boyden.
S největší pravděpodobností se vrstva abstrakce pro syntetickou neurobiologii bude velmi lišit v rámci různých neurologických a psychiatrických poruch, pro které navrhujeme řešení. Klíčovým úkolem v příštích letech bude vyvinout metodiku pro hodnocení úrovně popisu vhodné pro řešení konkrétního problému. Přestože je velká část mé laboratorní práce zaměřena na ovládání velmi specifických prvků neurálního obvodu pomocí světelných pulzů k zapínání a vypínání jednotlivých typů buněk s vysokou přesností, je jasné, že na mnohem vyšších úrovních abstrakce mohou existovat velmi výkonné nástroje. Například, kognitivně behaviorální terapie , ve kterém se pacienti učí, jak ladit negativní myšlenky, které přispívají k depresivním pocitům, je hluboká a výkonná neurotechnologie. A je zcela založen na jazyku. Neurotechnologie založené na jazyce aktivují sady neuronů rozmístěných po celém mozku ve velmi přesných vzorcích – a způsoby, které mohou způsobit změny schopné přetrvávat po celý život. Jazyk může vyvolat přesné změny v mozku, které posouvají lidi ke štěstí, učí je dovednostem, přivádějí je do války a vyvolávají v nich pocit empatie, nenávisti nebo nadšení. Jak mi řekl John Hockenberry letos na jaře, jazyk je původní mozkové rozhraní. Možná, že složitost syntetické neurobiologie vyplývá ze skutečnosti, že mozkové inženýrství je v některých ohledech tím, co všichni děláme neustále.
Citovat jako: Boyden, E. S. Synthetic Neurobiology. Blog Eda Boydena. Recenze technologie. 9. 10. 2007. (http://www.technologyreview.com/blog/boyden/21871/).