211service.com
Sintetinė neurobiologija
Kai programuojate kompiuterį, jums nereikia valdyti atskirų elektronų rankiniu būdu; jei tai padarytumėte, net paprasčiausio skaičiavimo sudėtingumas būtų bauginantis. Akivaizdu, kad sudėtingo dalyko kūrimas ar taisymas reikalauja abstrakcijos sluoksnio, todėl galite išspręsti konkrečią problemą nepaisydami sudėtingumo. Smegenų problemos taip pat turi būti sprendžiamos atitinkamais abstrakcijos lygiais. Paskutinę rugsėjo savaitę dalyvavau MIT neurotechnologijų komisijoje. Tyliai iškilo viena tema: skirtingoms neurologinėms ir psichikos problemoms reikalingos neuronų valdymo technologijos, veikiančios skirtingu erdviniu ir laiko mastu. Reikia pasirinkti esminius dizaino sprendimus: ar pasirinkti invazinį, erdviškai židinio nervinį stimuliatorių, ar neinvazinį, bet erdviškai grubesnį?
Apsvarstykite klausimą, kaip galite pagerinti pažinimą ir nuotaiką stimuliuodami pasirinktas nervų grandines. Tikriausiai norėtumėte maksimalaus lankstumo – gebėjimo derinti nuotaiką, sprendimų priėmimą, vertinimą ir pan., nepriklausomai vienas nuo kito. Tyrėjai bandė pakeisti pažinimo funkcijas neinvaziniu būdu stimuliuodami žievės smegenų sritis, kurių kiekviena yra kelių kubinių centimetrų tūrio. Tačiau tapo aišku, kad šios smegenų sritys nėra patys elementariausi smegenų grandinės elementai. Pavyzdžiui, manipuliuojant vienu konkrečiu smegenų regionu, lygiagrečiai gali pasikeisti daug pažintinių ir emocinių funkcijų. Apsvarstykite konkretų pavyzdį transkranijinė magnetinė stimuliacija (TMS) dešiniosios prefrontalinės žievės. Per pastaruosius kelerius metus atlikti tyrimai parodė, kad šios smegenų srities TMS naudojant standartinį protokolą (vienas impulsas per sekundę 10–30 minučių) gali pakeisti sprendimų priėmimą nesąžiningumo akivaizdoje , pagerinti depresijos simptomus , ir padidinti rizikingą elgesį . Taigi gali būti sunku sukelti specifinę, pageidaujamą smegenų būseną, nesukeliant kitų (galbūt nepageidaujamų) smegenų būsenų, kai nagrinėjami primityvūs yra visi smegenų regionai. Akivaizdu, kad šis patogus abstrakcijos sluoksnis, kuris buvo ryškus per šimtmečius neurologijos, turės būti patobulintas, kad būtų sukurta visiškai lanksti kognityvinio tobulinimo architektūra.
Sunkioji neuroinžinerijos dalis yra neuro dalis. Mūsų darbas yra suformuoti neuroninės grandinės veiklą taip, kad ji atliktų norimą skaičiavimą arba elgseną, nesukeliant neoptimalių pokyčių. Prieš kelias savaites Biologijos inžinerijos skyriaus pirmininkas Dougas Lauffenburgeris man pareiškė: „Tai, ką jūs darote, yra sintetinė neurobiologija, brėždamas paraleles tarp mano laboratorijos ir sintetinės biologijos laboratorijų darbo. Jei sekate sintetinės biologijos sritį, žinosite, kad pagrindinė prielaida yra biologinės inžinerijos abstrakcijos sluoksnių kūrimas. Ši darbotvarkė apima standartizuotų pagrindinių inžinerinių dalių rinkinių (ty standartinių DNR dalių, kurios koduoja tiksliai apibrėžtas funkcijas) kūrimą ir projektavimo taisykles kuriant sudėtingas sistemas iš panašių (ty genų tinklų sujungimo būdus, kad būtų pasiekti norimi organizmo rezultatai. ). Laikydamiesi projektavimo taisyklių ir naudodami standartizuotas dalis, biologijos inžinieriai gali sukurti naujas biologines sistemas nuo nulio – sistemas, kurios yra prasmingos ir veikia nuspėjamai.
Savo laboratorijoje pradėjome rinkti metodų rinkinį, skirtą tiksliai valdyti konkrečius neuronų grandinės primityvus. Dabar naudojame šiuos įrankius, kad išmoktume labai tiksliai ir efektyviai valdyti elgesio rezultatus. Tikimės, kad tokiu būdu sužinosime, kas yra neurobiologiniai primityvai, skirti smegenų inžinerijai, ir sukursime projektavimo taisykles, skirtas optimaliai valdyti nervų grandinės išvestį, ypač sergant ligomis. Esame ankstyvoje stadijoje. Sintetiniai biologai pradėjo tvirtą hipotezę, kad genai yra tinkamas abstrakcijos sluoksnis. Galų gale, genomas yra esminis, o DNR yra lengva generuoti, manipuliuoti ir skaityti. Tačiau neuroniniam skaičiavimui mes nežinome, koks yra DNR atitikmuo. Ar primityvai yra dendritiniai elementai? Pavieniai neuronai? Sinapsiniai ryšiai? Ląstelių tipai? Maži tinklai? Dideli tinklai? O kokiomis nervų sistemos svarstyklėmis turėtume skaityti? Rašymas?
Šviesa valdomi neuronai. Autoriai: J. Cardin, X. Han, X. Qian, C. Moore, E. Boyden.
Greičiausiai sintetinės neurobiologijos abstrakcijos sluoksnis labai skirsis atsižvelgiant į įvairius neurologinius ir psichikos sutrikimus, kuriems mes kuriame sprendimus. Pagrindinis ateinančių metų uždavinys bus sukurti metodiką, pagal kurią būtų galima įvertinti konkrečios problemos sprendimui tinkamo aprašymo lygį. Nors didžioji mano laboratorijos darbo dalis yra sutelkta į labai specifinių neuroninės grandinės elementų valdymą, naudojant šviesos impulsus, kad būtų galima labai tiksliai įjungti arba išjungti atskirus ląstelių tipus, akivaizdu, kad labai galingi įrankiai gali egzistuoti esant daug aukštesniam abstrakcijos lygiui. Pavyzdžiui, kognityvinė elgesio terapija , kuriame pacientai mokosi derinti neigiamas mintis, kurios prisideda prie prislėgtų jausmų, yra gili ir galinga neurotechnologija. Ir tai visiškai pagrįsta kalba. Kalbomis pagrįstos neurotechnologijos labai tiksliai suaktyvina neuronų rinkinius, paskirstytus visose smegenyse – ir tokiais būdais, kurie gali sukelti pokyčius, galinčius išlikti visą gyvenimą. Kalba gali sukelti tikslius pokyčius smegenyse, kurie skatina žmones į laimę, išmoko juos įgūdžių, įveda į karą ir verčia jausti empatiją, neapykantą ar susižavėjimą. Kaip praėjusį pavasarį man nurodė Johnas Hockenberry, kalba yra originali smegenų sąsaja. Galbūt sintetinės neurobiologijos sudėtingumas kyla dėl to, kad smegenų inžinerija tam tikrais atžvilgiais yra tai, ką mes visi darome visą laiką.
Cituoti kaip: Boyden, E. S. Synthetic Neurobiology. Edo Boydeno dienoraštis. Technologijų apžvalga. 10/9/07. ( http://www.technologyreview.com/blog/boyden/21871/ ).