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Neurobiologia sintetica
Quando programmi un computer, non devi guidare manualmente i singoli elettroni; se lo facessi, la complessità di eseguire anche il calcolo più semplice sarebbe scoraggiante. È chiaro che costruire o riparare una cosa complessa richiede un livello di astrazione, in modo da poter risolvere il problema specifico ignorando la complessità sottostante. Anche i problemi del cervello devono essere affrontati a livelli di astrazione appropriati. Durante l'ultima settimana di settembre, ho partecipato a un panel di neurotecnologie al MIT. Un tema è emerso in silenzio: diversi problemi neurologici e psichiatrici richiedono tecnologie di controllo neurale che operino su diverse scale spaziali e temporali. Devono essere fatte scelte progettuali critiche: scegli uno stimolatore neurale invasivo, spazialmente focale o uno non invasivo ma spazialmente più grezzo?
Considera la domanda su come potresti aumentare la cognizione e l'umore stimolando circuiti neurali selezionati. Probabilmente vorrai la massima flessibilità: la capacità di sintonizzare l'umore, il processo decisionale, il giudizio e così via, indipendentemente l'uno dall'altro. I ricercatori hanno tentato di alterare le funzioni cognitive mediante la stimolazione non invasiva delle regioni corticali del cervello, ciascuna di pochi centimetri cubici di volume. È diventato chiaro, tuttavia, che queste regioni del cervello non sono i più elementari degli elementi del circuito cerebrale. Ad esempio, la manipolazione di una specifica regione del cervello può cambiare molte funzioni cognitive ed emotive, in parallelo. Consideriamo l'esempio concreto di stimolazione magnetica transcranica (TMS) della corteccia prefrontale destra. Negli ultimi anni, gli studi hanno dimostrato che la TMS di questa regione del cervello con un protocollo standard (un impulso al secondo per 10-30 minuti) può alterare il processo decisionale di fronte all'ingiustizia , migliorare i sintomi della depressione , e aumentare il comportamento a rischio . Pertanto, può essere difficile indurre uno stato cerebrale specifico e desiderato, senza indurre altri stati cerebrali (forse indesiderati), quando le primitive in esame sono tutte regioni cerebrali. Chiaramente, questo comodo livello di astrazione, che è stato preminente in secoli di neuroscienze, dovrà essere perfezionato per sviluppare un'architettura completamente flessibile per l'aumento cognitivo.
La parte difficile della neuroingegneria è la parte neuro. Il nostro compito è scolpire l'attività del circuito neurale in modo che realizzi un calcolo o un comportamento desiderati, senza indurre alterazioni non ottimali. Qualche settimana fa, il presidente del dipartimento di ingegneria biologica, Doug Lauffenburger, mi ha dichiarato: 'Quello che stai facendo è neurobiologia sintetica, tracciando paralleli tra il lavoro del mio laboratorio e il lavoro dei laboratori che si occupano di biologia sintetica. Se hai seguito il campo della biologia sintetica, saprai che una premessa importante è la creazione di livelli di astrazione per l'ingegneria biologica. Questo programma include lo sviluppo di insiemi standardizzati di parti ingegneristiche di base (cioè, pezzi standard di DNA che codificano funzioni definite con precisione) e regole di progettazione per costruire sistemi complessi da sistemi simili (cioè modi di connettere reti di geni per ottenere risultati organismici desiderati ). Seguendo le regole di progettazione e utilizzando le parti standardizzate, gli ingegneri biologici possono creare nuovi sistemi biologici da zero, sistemi che hanno senso e funzionano in modo prevedibile.
Nel nostro laboratorio, abbiamo iniziato ad assemblare una serie di metodi per controllare con precisione specifiche primitive di circuiti neurali. Ora stiamo usando questi strumenti per imparare a controllare gli output comportamentali, con grande precisione e potenza. Si spera che in questo modo impareremo quali sono le primitive neurobiologiche per l'ingegneria del cervello e svilupperemo regole di progettazione per il controllo ottimale dell'uscita del circuito neurale, specialmente negli stati patologici. Siamo in una fase iniziale. I biologi sintetici sono partiti dalla forte ipotesi che i geni fossero il giusto strato di astrazione. Dopotutto, il genoma è fondamentale e il DNA è facile da generare, manipolare e leggere. Ma per il calcolo neurale, non sappiamo quale sia l'equivalente del DNA. I primitivi sono elementi dendritici? Neuroni singoli? Connessioni sinaptiche? Tipi di cellule? Piccole reti? Grandi reti? E su quale scala del sistema nervoso dovremmo leggere? Scrivere?
Neuroni controllabili dalla luce. Credito: J. Cardin, X. Han, X. Qian, C. Moore, E. Boyden.
Molto probabilmente, lo strato di astrazione per la neurobiologia sintetica varierà notevolmente tra i diversi disturbi neurologici e psichiatrici per i quali stiamo progettando soluzioni. Un compito chiave negli anni a venire sarà quello di sviluppare una metodologia per valutare il livello di descrizione appropriato per risolvere un problema specifico. Sebbene gran parte del lavoro del mio laboratorio si concentri sul controllo di elementi del circuito neurale molto specifici, utilizzando impulsi di luce per accendere o spegnere i singoli tipi di cellule con alta precisione, è chiaro che strumenti molto potenti possono esistere a livelli di astrazione molto più elevati. Per esempio, terapia comportamentale cognitiva , in cui i pazienti imparano come eliminare i pensieri negativi che contribuiscono a sentimenti depressi, è una neurotecnologia profonda e potente. Ed è interamente basato sul linguaggio. Le neurotecnologie basate sul linguaggio attivano insiemi di neuroni, distribuiti in tutto il cervello, secondo schemi molto precisi e in modi che possono causare cambiamenti in grado di durare per tutta la vita. Il linguaggio può indurre precisi cambiamenti nel cervello che portano le persone alla felicità, insegnano loro abilità, le conducono in guerra e le fanno provare empatia, odio o euforia. Come John Hockenberry mi ha fatto notare la scorsa primavera, il linguaggio è l'interfaccia originale del cervello. Forse la complessità della neurobiologia sintetica deriva dal fatto che l'ingegneria cerebrale è, in qualche modo, ciò che facciamo tutti, sempre.
Citare come: Boyden, E. S. Neurobiologia sintetica. Il blog di Ed Boyden. Revisione della tecnologia. 10/9/07. (http://www.technologyreview.com/blog/boyden/21871/).