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Perché il progetto di mappatura del cervello di Obama è importante?
La scorsa settimana, il presidente Obama ha annunciato ufficialmente un finanziamento di 100 milioni di dollari per probabilmente l'iniziativa di neuroscienze più ambiziosa mai proposta.
Il Ricerca sul cervello attraverso lo sviluppo di neurotecnologie innovative , o BRAIN, come viene ora chiamato il progetto, mira a ricostruire l'attività di ogni singolo neurone mentre si attivano simultaneamente in diversi circuiti cerebrali, o forse anche interi cervelli.
Il prossimo grande progetto americano, come lo ha chiamato Obama, potrebbe aiutare i neuroscienziati a comprendere le origini della cognizione, della percezione e di altre attività cerebrali enigmatiche, che potrebbero portare a nuovi trattamenti più efficaci per condizioni come l'autismo o i disturbi dell'umore e potrebbe aiutare i veterani che soffrono di lesioni cerebrali.
La grande scienza del cervello è anche nelle menti degli europei; l'Unione europea ha recentemente annunciato una proposta di quasi 1,2 miliardi di euro per 10 anni per simulare computazionalmente il cervello umano dal livello delle molecole e dei neuroni fino attraverso i circuiti neuronali.
Vari strumenti, dalla genetica alla biologia molecolare, hanno aiutato i ricercatori a capire come si comportano i neuroni come individui. Ma i neuroscienziati sono ora in grado di studiare solo l'attività di una manciata di queste cellule cerebrali alla volta utilizzando sonde con elettrodi di rilevamento del voltaggio.
Altri sforzi per mappare le connessioni fisiche nel cervello sono già in corso, ma questi progetti esaminano i cervelli morti o forniscono solo una visione approssimativa e a bassa risoluzione di come comunicano le regioni del cervello. Ad esempio, il Allen Institute for Brain Science ha sviluppato diversi cosiddetti Brain Atlases che mappano le connessioni fisiche tra i neuroni nei cervelli di specie diverse, nonché i modelli di genetica unica in ciascun neurone. Sebbene queste mappe statiche siano ottime per conoscere l'architettura del cervello, non forniscono informazioni su come l'attività dei neuroni porta alla funzione cerebrale.
È possibile ottenere una visione approssimativa dell'attività dell'intero circuito neurale utilizzando strumenti come la risonanza magnetica e l'EEG, ma solo a bassa risoluzione. E il comportamento del cervello tra queste due scale - come migliaia o milioni di neuroni interagiscono per controllare il comportamento di circuiti discreti nel cervello - è stato inaccessibile. Gli scienziati non hanno ancora capito come le interazioni complesse tra molti neuroni contemporaneamente diano origine alla funzione del circuito neurale.
L'iniziativa BRAIN si propone di sviluppare nuove tecnologie in grado di registrare l'attività di migliaia, se non milioni o miliardi, di neuroni contemporaneamente su scale temporali corrispondenti al comportamento e alle attività mentali. L'iniziativa probabilmente affronterà circuiti cerebrali discreti all'interno di diverse specie di animali per capire come i neuroni lavorano insieme per dare origine a comportamenti, stati d'animo e altri fenomeni mentali.
Sarà necessario sviluppare nuove tecnologie per raggiungere gli obiettivi di BRAIN, che probabilmente trarranno vantaggio dai recenti progressi della nanotecnologia. I sensori esistenti possono registrare l'attività elettrica dei neuroni, ma in genere possono monitorare meno di 100 neuroni alla volta.
Le tecniche emergenti di micro e nanofabbricazione potrebbero essere utilizzate per creare chip più piccoli con sonde elettriche e persino chimiche più piccole che sarebbero meno invasive. Le nanosonde con diverse dozzine di elettrodi, ad esempio, potrebbero essere impilate per sondare centinaia di migliaia di siti di registrazione e trasmettere dati in modalità wireless.
In alternativa, le nanoparticelle che trasportano molecole che le portano a specifici tipi di cellule potrebbero depositarsi nelle membrane cellulari, quindi il posizionamento chirurgico non sarebbe necessario. Le nanoparticelle potrebbero anche trasportare molecole in grado di rilevare l'attività elettrica, la pressione o persino alcune sostanze chimiche che rivelano l'attività cerebrale.
Anche nuove tecniche ottiche potrebbero aiutare il progetto di mappatura. Quando un neurone si attiva, la quantità di calcio all'interno delle cellule aumenta, quindi molti gruppi di ricerca utilizzano coloranti fluorescenti sensibili al calcio per studiare l'attività dei neuroni. Ma questa misurazione una volta viene rimossa dall'effettiva attività elettrica del neurone. Una molecola fluorescente sensibile al voltaggio o un altro agente di imaging potrebbe fornire una visione più accurata dell'attività.
La biologia sintetica potrebbe essere un altro strumento utile. Gli enzimi che costruiscono filamenti di DNA sono sensibili alla concentrazione di ioni e introdurranno più errori nella loro produzione di DNA in presenza di calcio. Pertanto, questi enzimi potrebbero essere utilizzati come sensori per l'attività dei neuroni. Una sequenza di DNA predeterminata potrebbe essere impiantata nei neuroni e, man mano che viene copiata, il filamento di DNA risultante fornirebbe una registrazione dei modelli di errore corrispondenti ai modelli di attività dei neuroni. I filamenti macchiati di errore da diversi neuroni potrebbero essere successivamente sequenziati.
I ricercatori hanno abbozzato una tabella di marcia approssimativa per il progetto in a proposta 2012 . L'iniziativa inizierà molto probabilmente con lo sviluppo di metodi migliorati di imaging del calcio per registrare l'attivazione dei neuroni, seguiti dall'imaging del voltaggio dell'attività dei neuroni. Poiché questi due metodi esaminerebbero solo le strutture superficiali (poiché la luce non può viaggiare lontano nel tessuto cerebrale), il terzo passo potrebbe essere lo sviluppo di grandi array di nanosonde.
Nei primi cinque anni l'iniziativa può partire da piccoli circuiti, come l'intero sistema nervoso del nematode C. elegans (che ha solo 302 neuroni e 7.000 connessioni) e circuiti discreti del cervello del moscerino della frutta. I singoli circuiti nel sistema nervoso di un topo, come quello della retina o del centro olfattivo, potrebbero essere affrontati entro 10 anni e, entro 15 anni, gli scienziati potrebbero essere in grado di ricostruire l'attività neuronale dell'intera neocorteccia di un topo.
Anche senza esplorare direttamente il cervello umano, le intuizioni risultanti potrebbero avere un profondo impatto sulle neuroscienze e sulla medicina, se tutto in questo prossimo grande progetto americano andrà secondo i piani.