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Alimentare la ricerca sul cervello
L'ultimo decennio ha visto una rivoluzione nella nostra comprensione del cervello. La risonanza magnetica funzionale (fMRI) offre agli scienziati una visione dei nostri pensieri più profondi e delle nostre ansie nascoste. Piccole serie di elettrodi che registrano i segnali neurali dalle diverse parti del cervello rivelano indizi sul modo in cui i nostri neuroni codificano e inviano informazioni. Ma quali scoperte porterà la prossima generazione di tecnologie alle neuroscienze? Gli scienziati del MIT sperano di accelerare questa risposta con il McGovern Institute Neurotechnology Program, un nuovo programma dedicato allo sviluppo di nuove neurotecnologie. Charles Jennings, direttore del programma appena assunto, parla con Revisione della tecnologia sulla sua visione del futuro.
Charles Jennings, nuovo direttore del McGovern Institute Neurotechnology Program, spera di incoraggiare lo sviluppo delle tecnologie di prossima generazione per il cervello.
Revisione della tecnologia : Perché avviare un programma specifico per lo sviluppo delle neurotecnologie?
Charles Jennings : Le neuroscienze sono sempre state guidate e limitate dalle tecnologie disponibili per studiarle. Il cervello è così impegnativo: hai bisogno di modi per registrarlo e stimolarlo. La potenza con cui si possono fare queste cose determina il ritmo della ricerca e delle eventuali applicazioni cliniche.
BAMBINI : Quali sono i limiti delle tecnologie esistenti per lo studio delle neuroscienze?
CJ : Per la maggior parte, la registrazione dal cervello implica scrutare attraverso il cranio in modi che sono fondamentalmente limitati. L'FMRI, che è stato un grande progresso e una delle più potenti di queste tecniche, misura il flusso sanguigno. Quindi non puoi mai ottenere una risoluzione migliore della velocità del flusso sanguigno. Non puoi mai scendere al livello di una singola cella.
Dall'altra parte dello spettro, possiamo inserire un elettrodo nel cervello, solitamente di animali, una tecnica che è stata tremendamente importante. Ma soprattutto possiamo registrare solo da uno o più dei miliardi di neuroni nel cervello. Molte informazioni sono codificate nei tempi dei segnali tra i neuroni, che non puoi vedere a meno che non registri da molti neuroni contemporaneamente.
Siamo anche limitati dalla durata che possiamo registrare. Se vuoi studiare un processo o un comportamento che richiede settimane per essere acquisito, devi essere in grado di guardare il cervello per lunghi periodi di tempo. Questa capacità aprirebbe molte domande di ricerca: i processi che sono alla base della formazione delle abitudini, la degenerazione a lungo termine, come l'Alzheimer, o le malattie psichiatriche, che spesso si sviluppano nel corso degli anni.
La registrazione a lungo termine è importante anche dal punto di vista clinico per i trattamenti di stimolazione cerebrale per il morbo di Parkinson e la depressione. [In questa procedura, un elettrodo viene impiantato chirurgicamente nella parte del cervello coinvolta nella malattia. L'erogazione di impulsi elettrici tramite l'impianto blocca i segnali elettrici che causano tremori e altri sintomi del morbo di Parkinson e, più recentemente, ha mostrato alcune promesse nel trattamento della depressione grave.] Ed è importante nei dispositivi protesici per le vittime della paralisi, in cui un dispositivo registra dalla parte del cervello coinvolta nella pianificazione e poi traduce quell'attività nel movimento di un cursore del computer o di un arto artificiale. La sfida è creare qualcosa che puoi impiantare nel cervello che si comporti in modo coerente per lunghi periodi di tempo.
BAMBINI : Quali sono alcune nuove tecnologie interessanti che vedi all'orizzonte delle neuroscienze?
CJ : Penso che vedremo un grande impatto dalla genetica umana. I nostri vicini del Broad [Institute], ad esempio, hanno sviluppato strumenti per esaminare le variazioni individuali nelle nostre informazioni genetiche e stanno cercando geni coinvolti nella schizofrenia e nel disturbo bipolare. (Vedi Una nuova mappa per la salute.) Finora sono stati identificati pochi geni, quindi c'è davvero un bisogno urgente di scoprire le basi genetiche di queste malattie.
Una delle tendenze che abbiamo visto nell'ultimo anno o due è l'interesse per la combinazione di genetica e imaging cerebrale. Se identifichi un gene coinvolto in una malattia psichiatrica, vuoi chiedere come quel gene influenza il comportamento e come influenza la funzione cerebrale. Il cervello è una scatola nera finché non ci guardi dentro. La sfida più grande sarà tracciare tutte le connessioni tra geni e comportamento. In che modo le influenze ambientali interagiscono con la genetica per modellare il cervello e influenzare il comportamento?
BAMBINI : Che tipo di tecnologie vuoi sviluppare?
CJ : Finora, stiamo collaborando con Ian Hunter, un professore di ingegneria meccanica al MIT, che sta sviluppando elettrodi a nanofili che sono molto più fini degli elettrodi attuali. (Vedi Piccoli elettrodi per il cervello.) Puoi inserirli in più parti del cervello mentre fai meno danni ai tessuti.
Un altro progetto è quello di sviluppare nuovi metodi per fMRI. Vogliamo creare molecole reporter che siano sensibili a diverse [sostanze chimiche] nel cervello, come il calcio, un'importante molecola di segnalazione. Un marcatore che cambia con la concentrazione di calcio potrebbe visualizzare l'attività neurale con una risoluzione molto maggiore rispetto ai metodi attuali.
A lungo termine, vogliamo pensare a progetti ad alto rischio e ad alto profitto. Se guardi la fMRI, è un modo radicalmente nuovo di guardare il cervello. Cosa lo sostituirà tra 20 anni? La visione fantascientifica sarebbe costituita da dispositivi in miniatura che si fermerebbero nei capillari e registrerebbero dai neuroni vicini e trasmetterebbero quei dati attraverso il cranio. Pensa a cosa potresti fare se avessi un numero elevato di queste cose che potrebbero alimentarsi da sole e sciamare intorno al cervello. Non sappiamo se si può fare, ma mi è stato detto che non c'è una ragione teorica per cui non possa farlo.