Ingegnerizzare il cervello

L'ultimo secolo ha visto grandi progressi nella nostra comprensione di quegli aspetti del calcolo neurale che possono essere studiati attraverso la sperimentazione su una o poche cellule, ad esempio, come le sinapsi consentono a un neurone di parlare con uno dei suoi vicini. Ma i fenomeni che hanno interessato molti neuroscienziati in primo luogo al cervello - apprendimento, emozione, coscienza e disturbi misteriosi come la depressione e la schizofrenia - rimangono difficili da spiegare attraverso esperimenti su una o anche poche cellule. Migliaia o milioni di cellule, calcolando come un insieme, sono responsabili praticamente di tutti i nostri comportamenti, così come dei loro squilibri.

A causa della complessità dei circuiti neurali, la pratica delle neuroscienze dei sistemi rimane un'arte raffinata. Al di là del singolo neurone, i dettagli computazionali rimangono confusi per la maggior parte dei circuiti neurali nel cervello.

Questa storia faceva parte del nostro numero di marzo 2007

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Prima di diventare un neuroscienziato, mi sono formato come fisico e come ingegnere. Così ho deciso di provare a inventare strumenti per aiutare a risolvere i vecchi e inflessibili problemi del cervello normale e patologico. Ho avviato un nuovo gruppo di ricerca al MIT Media Lab per sviluppare tecnologie per il controllo dell'attività neuronale e per usarle per trovare e ingegnerizzare gli elementi del circuito che mediano stati e comportamenti specifici. Applicheremo queste tecnologie anche per ideare strategie più mirate e non invasive per correggere i disturbi cerebrali. Questi sforzi possono consentire ai neuroscienziati di comprendere meglio i collegamenti tra l'attività del circuito neurale e condizioni come la depressione (vedi Neuron Control).

Nel 2005, sono stato in grado, insieme ai miei colleghi del Max Planck Institute of Biophysics e della Stanford University, di far sì che specifici neuroni emettano picchi proprio in risposta a brevi impulsi di luce blu, esprimendo nei neuroni una proteina di membrana unica dal verde alghe (vedi Artificially Firing Neurons, settembre/ottobre 2006). Il mio laboratorio sta sviluppando protocolli automatizzati per utilizzare questa tecnica e altri strumenti di controllo neurale che stiamo inventando per rivelare sistematicamente i modelli di attività e comportamento del circuito che sono mediati da un neurone specifico o da un insieme di neuroni. Stiamo anche esplorando l'uso sistematico delle tecnologie di controllo neurale per correggere i deficit neurologici e psichiatrici e per migliorare la cognizione.

I nostri cervelli sono l'interfaccia definitiva tra noi e il mondo. L'ingegnerizzazione diretta di questa interfaccia può darci nuove intuizioni su come proviamo le sensazioni, decidiamo le azioni e diventiamo consapevoli di noi stessi e consentire nuove modalità di comunicazione, protesi neurali e potenziamento cognitivo. La domanda su come sperimentiamo soggettivamente la realtà è uno dei grandi problemi irrisolti di tutti i tempi e richiederà nuovi strumenti e collaborazione tra le discipline per rispondere. Credo che in questa ricerca, le capacità e gli sforzi dei neuroingegneri saranno essenziali.

Edward Boyden è un assistente professore presso il MIT Media Lab, dove dirige il nuovo Neuroengineering and Neuromedia Lab.

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