Hjernekontroll

Utstyret i Ed Boydens laboratorium ved MIT er ingenting om ikke eklektisk. Det finnes maskiner for å analysere og sette sammen gener; en 3D-skriver; en laserkutter som er i stand til å skjære en gjenstand ut av en metallblokk; apparater for å dyrke og studere bakterier, planter og sopp; en maskin for å tilberede ultratynne skiver av hjernen; verktøy for å analysere elektroniske kretser; en serie med høyoppløselige bildeenheter. Men det Boyden er mest ivrig etter å vise frem er en liten, stygg ting som ser ut som en hårete plasttann. Det er faktisk huset for omtrent et dusin korte optiske fibre av forskjellige lengder, hver festet i den ene enden til en lysdiode. Når tannen er implantert i for eksempel hjernen til en mus, kan hver av disse lysdiodene levere lys til et annet sted. Ved å bruke enheten kan Boyden begynne å kontrollere aspekter av musens oppførsel.

Å se lys: I sitt MIT-laboratorium studerer Ed Boyden hvordan lysfølsomme proteiner kan brukes til å påvirke hjernens funksjon.

Musehjerner, eller andre hjerner, ville normalt ikke reagere på innebygde lys. Men Boyden, som har ansettelser ved MIT like eklektisk som laboratorieutstyret hans (assistentprofessor ved Media Lab, fellesprofessor ved Institutt for biologisk teknikk og Institutt for hjerne- og kognitivvitenskap, og leder for Synthetic Neurobiology Group), har endret visse hjerneceller med gener som lager lysfølsomme proteiner i planter, sopp og bakterier. Fordi proteinene får hjernecellene til å fyre når de utsettes for lys, gir de Boyden en måte å slå de genmanipulerte nevronene av og på.



Nettet er gjenfødt

Denne historien var en del av november 2010-utgaven vår

  • Se resten av saken
  • Abonnere

Dette nevronale trikset har plassert Boyden i sentrum av optogenetikk, et av de nyeste feltene innen biologiforskning – et han var med på å finne opp, og et som kan påvirke mye av det som skjer innen nevrovitenskap i de kommende tiårene. Han søker å svare på et helt grunnleggende spørsmål: hvordan påvirker den elektriske aktiviteten til spesifikke grupper av nevroner tanker, følelser og atferd? Selv om det spørsmålet kan høres åpenbart ut, er det et spørsmål som har vært ubesvart siden hjerneceller først ble observert for over et århundre siden, av den enkle grunn at det aldri har vært en presis måte å vite hvilke nevroner som gjør hva under en bestemt tanke eller atferd . Relativt nye teknologier som funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI) kan vise gjennomsnittlig aktivitetsnivå blant regioner som omfatter millioner av nevroner, og ikke-så-nye teknologier som implanterte elektroder kan oppdage aktivitet i et mer spesifikt område, men kan heller ikke spore samtidig eller sekvensiell avfyring av et bestemt sett med nevroner som kan tres gjennom forskjellige områder av hjernen. Likevel er disse mønstrene for nevral aktivitet selve essensen av hjernefunksjon, som kontrollerer kognisjon og atferd.

Ved å bruke lys for å få spesifikke sett med genmodifiserte nevroner til å brenne, kan nevroforskere observere hvordan denne aktiviteten er assosiert med spesifikke stimuli og atferd, så vel som med hjernesykdommer som epilepsi og Parkinsons sykdom. Elektroingeniører har utviklet prinsipper som gjør at ulike individuelle elektroniske kretser kan settes sammen til en fullt fungerende datamaskin; På samme måte håper Boyden å avdekke prinsippene for at individuelle grupper av samtidig avfyrende nevroner – hjernekretsløp, som han liker å kalle dem – jobber sammen for å la hjernen fungere.

hvor mye koster briller for fargeblinde

Boydens endelige mål: å finne måter å reparere feiltenende hjerner på, omtrent som elektroingeniører analyserer og endrer elektroniske kretser når de feilsøker maskinvare. For de aller fleste behandlinger for menneskelige nevrologiske problemer blir ikke mekanismene til behandlingene forstått, noe som betyr at det egentlig ikke er en logisk måte å kontinuerlig forbedre dem på, sier han. Vårt overordnede mål er å finne ut måter å kontrollere nevrale kretsløp på, slik at vi kan unngå patologiske tilstander og utvikle bedre behandlinger. Og selv om han er godt klar over de etiske problemene som kan omgi en teknologi som er i stand til nøyaktig å kontrollere visse aspekter av menneskelig tanke, humør og atferd, er han sikker på at optogenetikk – nettopp fordi det er så presis – er langt mer sannsynlig å hjelpe enn å skade. Alle medikamenter og andre behandlinger for nevrologiske lidelser modulerer tanke og atferd på en eller annen måte, og de har alle bivirkninger, noen av dem ganske alvorlige, sier han. Jo mer vi kan målrette mot bare de hjernekretsene som er involvert i patologien, og la andre være i fred, jo færre bivirkninger vil vi sannsynligvis se. Vi må kanskje konfrontere nye risikoer på et tidspunkt med denne teknologien, men nøyaktigheten til teknologien i seg selv bør ikke sees på som et problem.

Optogenetikk begynner å ha en enorm innvirkning på nevrovitenskap, sier John Byrne, styreleder for nevrobiologi- og anatomiavdelingen ved University of Texas Medical School i Houston. Vi vet mye om hvordan individuelle nevroner fungerer, og hvordan områder av hjernen behandler visse typer informasjon, men den siste grensen er å lære hvordan grupper av nevroner kommuniserer i kretsløp for å utføre spesifikke funksjoner, sier han. Det er det optogenetikk kommer til å la oss gjøre med fantastisk spesifisitet.

Fyr løs

Da Boyden meldte seg inn ved MIT, i en alder av 16, fokuserte han raskt på å utforske prinsippene for systemkontroll. Tidlig hjalp han til med å designe et system som tillot en bruker å kontrollere et dataprogram gjennom håndbevegelser. Men slike problemer føltes litt for løselige - han fant bare bedre måter å kontrollere systemer som allerede var bevist kontrollerbare. Kvanteberegningsarbeidet som startet i det ene hjørnet av MITs Media Lab så ut til å utgjøre den tøffere typen utfordring han søkte, og Boyden tilbrakte sitt fjerde år ved universitetet og prøvde å hjelpe til med å utvikle en teknikk for å temme oppførselen til atomer som midlertidig eksisterer i flere kvantemekaniske tilstander. Dessverre viste atomene seg for ustyrlige til å kontrollere, men det ga Boyden en ny innsikt. Hvis problemet er umulig, kommer du aldri til det morsomme med å kontrollere noe, forklarer han. Jeg trengte å takle et problem som var nesten umulig.

Hvordan få nevroner til å brenne: Forskere har genetisk konstruert nevroner i gnagere for å inkorporere en lysfølsom kanal (høyre innfelt, øverst). Når den utsettes for blått lys levert av en fiberoptisk kabel, åpnes kanalen og lar positivt ladede natriumioner strømme inn i cellen (høyre innfelt, nederst). Dette utløser igjen cellen til å skyte, og overfører et signal til celler nedstrøms i nevrale kretsløp.

For Boyden var det å kontrollere hjernen. Etter MIT tok han en doktorgrad i nevrovitenskap ved Stanford, hvor han samarbeidet med nevrovitenskapsmannen Karl Deisseroth. Deisseroths gruppe, som ønsket å isolere og analysere minnekretser, begynte å jobbe med et prosjekt som lovet å gi et verktøy for å utforske andre hjernekretser også. Forskere hadde tidligere demonstrert måter som lysutbrudd kunne brukes til å lokke hjerneceller til å skyte, men teknikkene var ikke raffinert nok til å undersøke spesifikke hjernekretser. Stanford-forskerne visste imidlertid at cellene til mange planter og bakterier, så vel som noen av cellene i øyet, er fotoreseptive: når lys skinner på dem, genererer de en liten spenning gjennom virkningen av ulike former for en protein samlet kalt opsins. Kan opsins brukes for å gjøre disse metodene mer presise?

Svaret, viste det seg, var ja. Deisseroth, Boyden og Boydens medstudent Feng Zhang valgte mikrobielle opsiner som var spesielt effektive til å konvertere lys til elektrisk energi og fant ut genene som kodet for disse proteinene. Så, i en teknikk som er standard innen genterapi, brukte de et virus for å sette inn de opsin-produserende genene i nevroner. Vel inne i nevronene begynte genene å produsere opsiner, med det resultat at nevronene avfyrte når de ble utsatt for lys. Boyden og hans medarbeidere hadde funnet en presis, pålitelig måte å stimulere spesifikke grupper av nevroner og observere hva som skjedde da de skjøt.

Å kunne knytte spesifikke grupper av nevroner til en atferdsendring, enten endringen er relatert til kognisjon, motorisk kontroll, følelser eller sensorisk persepsjon, er avgjørende for å behandle hjernesykdommer. Hvis de spesifikke nevronene som forårsaker et problem kan identifiseres, vet forskerne hvor de skal sikte potensielle terapier. Men forskere er ikke i stand til å undersøke, overvåke og registrere de individuelle kretsene som utgjør minner og tanker, sier Christian Wentz, en tidligere utdannet forsker ved Boydens MIT-laboratorium som har gått med å grunnlegge Cerenova, et selskap i tidlig fase i Cambridge. , Massachusetts. Det har aldri vært en måte å etablere sammenhenger mellom det som skjer på cellenivå i hjernen og hvordan vi oppfører oss og tenker, og det er en del av grunnen til at kognitive funksjoner ikke er godt adressert av eksisterende medisiner eller enheter, forklarer han. Det er derfor det har vært så vanskelig å forstå og behandle forstyrrelser av høyere ordens kognisjon og hukommelse, som Alzheimers sykdom.

Ved å la forskere få spesifikke grupper av nevroner til å skyte på signal, gir Boydens tannformede bunt av optiske fibre og lysdioder en måte å undersøke disse forbindelsene på. Etter at opsin-produserende gener har blitt satt inn i nevronene i en mus slik at cellene reagerer på lys, implanterer forskerne Boydens enhet i den delen av gnagerens hjerne som studeres. Deretter kan de kontrollere om nevronene rundt enden av hver optisk fiber avfyrer. De retter seg mot forskjellige sett med nevroner i musens hjerne og observerer eventuelle atferdsendringer som oppstår når disse nevronene avfyrer.

hva sier er det ulovlig å filme politifolk i 2020

Boyden har brukt denne teknikken til å eksperimentere på mus som viser symptomer på angst, frykt, hukommelsestap og til og med posttraumatisk stresslidelse (PTSD). Ettersom den optiske fiberenheten stimulerer forskjellige grupper av nevroner, ser han etter tegn på at musens symptomer blir bedre eller verre. Hvis symptomene forverres når en bestemt gruppe nevroner brenner, er det en lovende behandlingsvei å finne måter å forhindre dem i å skyte; hvis symptomene forbedres ved stimulering, kan det være terapeutisk for å lette avfyringen.

Laboratorier rundt om i verden har begynt å bruke verktøyene til optogenetikk for å studere praktisk talt alle større hjernerelaterte lidelser, inkludert Alzheimers, Parkinsons, schizofreni, epilepsi, søvnforstyrrelser, synstap og kroniske smerter. Tenk på epilepsi, som Jeffrey Noebels, en nevroforsker ved Baylor College of Medicine i Houston, sammenligner med noen kjente dataproblemer. Vi vet bare ikke hvorfor den epileptiske hjernen ikke klarer å synkronisere ordentlig til tider, noe som fører til et tjenestenektangrep og en blå skjerm, sier han. Vi har blitt hindret i å prøve å lære mer fordi vi har måttet spørre hjernen en hel region om gangen, som er som å prøve å finne ut hva som er galt i et kretskort ved å sprenge hele kortet med en elektrisk strøm. Med optogenetikk kan vi fokusere på nevronene som spiller en kritisk rolle, som er mer som å se på de individuelle transistorene. Behandling for alvorlig epilepsi kan innebære kirurgisk fjerning av store deler av hjernens cortex for å forhindre anfall, sier Noebels, men det kan føre til kognitiv svikt og andre problemer. Hvis vi kan plukke ut nevronene som er rablene, kan vi kanskje forme cortex til å skyte på en sunnere måte med rusmidler eller stimulering, sier han.

Boyden ser en enda større rolle for optogenetikk: ikke bare kan det bidra til å avsløre rollene til individuelle hjernekretsløp og potensielt peke på måter å fikse nevrale feiltenning på, mener han, men det kan hjelpe forskere med å finne ut hvordan alle de forskjellige kretsene passer sammen for å skape en fullt fungerende hjerne. Hvordan blir et minne dannet, tapt eller endret? Hvordan utløser en tanke bevegelse i en finger? Hvordan tolker vi visuelle bilder?

Mange tusen kretser vil sannsynligvis måtte matches til spesifikke funksjoner før det store bildet dukker opp, og forskere må øke tempoet dramatisk hvis de håper å matche de fleste av dem innen et tiår eller to. For det formål ser Boyden for seg å verve datamaskiner for å automatisere prosessen. For eksempel kan en datamaskin undersøke en krets ved å sende lys til et bestemt sted i et dyrs hjerne. For å lese hva som skjer som svar, kan det se etter glødende nevroner eller registrere hvordan dyret beveger seg eller hvordan hjertefrekvensen endres. Deretter kunne den raskt og gjentatte ganger justere plasseringen av lyset for å prøve å maksimere den responsen.

Ved å undersøke hjernekretsløp hos mus, håper Boyden til slutt å reversere de nevrale nettverkene som utgjør en hjerne, slik en elektroingeniør kan måle 0 s og en s som er utgangene til en elektronisk brikke for å utlede programvarekoden som er programmert inn i brikkens kretser. Informasjonen i hjernen er vanskelig å forstå hvis du ikke vet hvordan den ble beregnet, sier han. Vi ønsker å avdekke den originale algoritmen som er underliggende funksjon.

Å holde seg stille

En av de mest umiddelbare og kanskje viktigste gevinstene av Boydens teknikker er sannsynligvis i utviklingen av medikamenter. Hvis vi kunne bruke optiske fibre til å slå spesifikke hjernekretser av og på i et våkent, oppførerende dyr som har fått et stoff, kunne vi teste hvilke kretser som påvirkes av stoffet og hva de atferdsmessige konsekvensene er, sier Boyden. Det vil tillate oss å se etter medisiner som er mer spesifikke og effektive for de riktige kretsene, i stedet for å bare bade hjernen i et stoff.

En overraskende og viktig oppdagelse som kom ut av Boydens tidlige studier, involverte en slags antistimuleringseffekt i hjernekretsløp. Noe rart skjer når en gruppe nevroner som har en tendens til å skyte sammen blir stimulert av lys: mens de fleste cellene fyrer oftere, fyrer omtrent en tredjedel faktisk sjeldnere. Effekten har vist seg forbløffende konsistent for alle områder av cortex, og for alle typer atferd og funksjoner, hos alle dyrearter som har blitt testet. Det faktum at en betydelig prosentandel av nevronene ble fullstendig hemmet fortalte oss at det var et viktig prinsipp for nevronkontroll å vurdere her, sier Boyden. Hvis vi ønsker å få en hjernekrets til å gjøre noe, må vi vurdere ikke bare hvilke nevroner vi begeistrer, men også hvilke nevroner vi stiller nedstrøms. Det vil sannsynligvis være spesielt viktig i utviklingen av nye medisiner. For eksempel kan et medikament som har som mål å lindre et symptom ved å stimulere en gruppe nevroner ende opp med å gjøre ting verre ved indirekte å dempe andre nevroner. På den annen side kan det å dempe visse nevroner være fordelaktig - for eksempel hvis de hadde forårsaket epileptiske anfall ved å skyte ukontrollert.

Ikke bare kan optogenetiske teknikker avsløre hvilke nevroner en behandling bør ta sikte på å slå på eller av, men de kan bli nyttige som behandlinger i seg selv. For eksempel kan de tilby en forbedring i forhold til implanterbare enheter som nå gir elektriske støt for å behandle Parkinsons og andre lidelser. Disse enhetene har en tendens til å aktivere alle nevronene i nærheten av en implantert elektrode, men en implantert fiberoptisk enhet vil aktivere bare de nevronene som hadde blitt endret med opsiner - bare de defekte delene av en motorkontrollkrets eller en stemningsrelatert krets - mens riktig fungerende nevroner ville bli stående i fred. Det vil selvfølgelig kreve bruk av genterapi på menneskelige pasienter, og slike teknikker, til tross for mange års forskning, er fortsatt eksperimentelle. Til slutt, men hvis genterapi viser seg trygg, kan leger bruke optogenetikk for å reparere defekte hjerner, kanskje ved å bruke optisk eller elektrisk stimulering på nøyaktig utvalgte steder.

Vil publikum ta imot implanterbare optiske enheter som kan gjøre slike ting, eller vil de frykte at teknikkene kan brukes til å trigge eller undertrykke bestemte tanker, sensasjoner, følelser eller atferd? Folk har allerede veldig forskjellige meninger om hvilke psykiatriske medikamenter som er verdt det og hvilke som ikke er det, sier Boyden. Disse spørsmålene vil også bli reist om denne tilnærmingen, og det er ikke en dårlig ting. Det bør alltid være en åpen dialog mellom forskere, klinikere, reguleringsorganer og offentligheten om risikoene og fordelene ved nye typer behandlinger.

David H. Freedman er en frilansjournalist som har skrevet for Atlanterhavet og New York Times . Hans siste bok, Feil , utforsker hvorfor eksperter og forskere ofte ikke får ting riktig.

gjemme seg

Faktiske Teknologier

Kategori

Ukategorisert

Teknologi

Bioteknologi

Teknisk Politikk

Klima Forandringer

Mennesker Og Teknologi

Silicon Valley

Databehandling

Mit News Magazine

Kunstig Intelligens

Rom

Smarte Byer

Blockchain

Feature Story

Alumniprofil

Alumniforbindelse

Mit News-Funksjon

1865

Mitt Syn

77 Mass Ave

Møt Forfatteren

Profiler I Generøsitet

Sett På Campus

Alumnibrev

Nyheter

Valget 2020

Med Indeks

Under Kuppelen

Brannslange

Uendelige Historier

Pandemisk Teknologiprosjekt

Fra Presidenten

Forsidehistorie

Fotogalleri

Anbefalt