การวิจัยสมองมีความคิดมากมายเมื่อเร็ว ๆ นี้ในเมืองหลวงของประเทศ หลังจากนำเสนอสั้น ๆ เกี่ยวกับการวิจัยของอัลไซเมอร์ในที่อยู่ของสหภาพในเดือนกุมภาพันธ์ประธานาธิบดีบารัคโอบามาได้ก้าวไปอีกขั้นในเดือนเมษายนโดยประกาศความพยายามมานานหลายทศวรรษในการพัฒนาเครื่องมือขั้นสูงสำหรับการติดตามกิจกรรมสมองของมนุษย์ การบริหารขนานนามว่าการวิจัยสมองผ่านการริเริ่มการริเริ่ม Neurotechnologies ที่เป็นนวัตกรรมและเสนอใช้จ่าย $ 100 ล้านในโครงการในปีงบประมาณ 2014
นักวิทยาศาสตร์ได้หารือเกี่ยวกับความพยายามดังกล่าวมานานหลายปีและผลักดันอย่างหนักในช่วงไม่กี่เดือนที่ผ่านมา เขียน 15 มีนาคมในศาสตร์นักวิจัยกล่าวว่าโครงการจะพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อตรวจสอบการทำงานของสมองในระดับที่สูงกว่าและมีความละเอียดสูงกว่าที่เป็นไปได้ในขณะนี้
เครื่องมือในปัจจุบันสามารถตรวจสอบเซลล์ประสาทส่วนบุคคลจำนวนน้อยในแต่ละครั้งหรือจับภาพความพร่ามัวมุมมองของการทำงานของสมอง เครื่องมือใหม่นี้จะช่วยให้การทำแผนที่แบบเรียลไทม์ว่าเซลล์ประสาทหลายพันหรือหลายล้านคนในกลุ่มประสานงานที่รู้จักกันในชื่อวงจรทำงานร่วมกัน การทำงานของสมอง - และในหลายกรณีความผิดปกติ - มีความคิดที่จะเกิดขึ้นจากระดับวงจรที่อธิบายไว้ไม่ดี
“ ไม่มีทางที่จะสร้างแผนที่จนกว่าคุณจะพัฒนาเครื่องมือ” ราฟาเอล Yuste นักประสาทวิทยาจากสถาบันวิทยาศาสตร์สมอง Kavli ของมหาวิทยาลัยโคลัมเบียและหนึ่งในผู้สนับสนุนโครงการกล่าว
นักวิจัยเรียกร้องให้พัฒนาเครื่องมือสามชุดเพื่อทำความเข้าใจวงจรสมองให้ดีขึ้น จุดสนใจหนึ่งคือการสร้างเครื่องมือในการวัดกิจกรรมของเซลล์ประสาทส่วนบุคคลทั้งหมดในวงจร อีกประการหนึ่งคือเทคโนโลยีที่จะจัดการกับเซลล์ประสาทเหล่านี้ ชุดเครื่องมือที่สามจะจัดเก็บวิเคราะห์และทำให้นักวิจัยทุกคนสามารถเข้าถึงข้อมูลได้
นักวิทยาศาสตร์ทุกวันนี้สามารถตรวจสอบเซลล์ประสาทส่วนบุคคลโดยตรงเพื่อตรวจสอบสกุลเงินหลักของการสื่อสารของเซลล์ประสาทสัญญาณไฟฟ้าที่เรียกว่าศักยภาพการกระทำ แต่โดยทั่วไปแล้วเครื่องมือที่มีอยู่นั้นจะรุกรานทำให้พวกเขาใช้งานได้ยากในมนุษย์หรือมีความละเอียดดิบ เทคโนโลยีใหม่บางอย่างที่เกิดขึ้นแล้วจะเป็นระดับนาโนผู้เสนอความพยายามเขียน 26 มีนาคมในACS Nanoหรือพวกเขาจะวัดแรงดันไฟฟ้าทางอ้อมผ่านตัวบ่งชี้ เป้าหมายที่เป็นไปได้อื่น ๆ ได้แก่ สารเคมีที่รู้จักกันในชื่อสารสื่อประสาทซึ่งถ่ายทอดศักยภาพการกระทำระหว่างเซลล์ประสาทผ่านการซิงก์
ตัวอย่างเช่นนักวิจัยใช้กล้องจุลทรรศน์เลเซอร์เพื่อวัดแคลเซียมไอออนซึ่งเป็นตัวบ่งชี้แรงดันไฟฟ้า การศึกษาเมื่อเร็ว ๆ นี้ใช้กล้องจุลทรรศน์เลเซอร์พิเศษที่ปล่อย“ แผ่นแสง” เพื่อตรวจจับไอออนแคลเซียมและทำแผนที่กิจกรรม 80 เปอร์เซ็นต์ของสมองตัวอ่อนของปลาตัวเองประมาณ 100,000-neuron ผู้เขียนร่วม Misha Ahrens จาก Howard Hughes Medical Institute ใน Ashburn, Va. เปรียบกับวิธีการส่องแสงบาง ๆ ของแสงแทนที่จะเป็นโคมไฟในพื้นที่หมอก เลเยอร์บาง ๆ จะกระจัดกระจายน้อยกว่าหมอกมากกว่าไฟส่องสว่างแบบกระจาย
แผนที่อธิบาย 18 มีนาคมในวิธีธรรมชาติแสดงกิจกรรมหนึ่งวินาที อาจเป็นครั้งแรกที่กิจกรรมสมองสัตว์มีกระดูกสันหลังได้รับการเปิดเผยในรายละเอียดดังกล่าว หากต้องการก้าวต่อไปและจับภาพการทำงานของสมองในอัตรา 1,000 ครั้งต่อวินาทีตามที่นักวิทยาศาสตร์ต้องการจะต้องมีการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในเทคโนโลยีกล้องจุลทรรศน์ Ahrens กล่าว
โอกาสที่น่าตื่นเต้นอีกประการหนึ่งคือการใช้จุดควอนตัม, กึ่งตัวนำระดับนาโนที่สามารถออกแบบให้มีสีหรือความสว่างที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับระดับแรงดันไฟฟ้าหรือระดับสารสื่อประสาท
นักวิจัยยังมองเห็นเซลล์ประดิษฐ์ที่สามารถทำหน้าที่เป็นผู้ประสานงานระหว่างเครื่องมือวัดและเซลล์ประสาท George Church นักพันธุศาสตร์มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดที่ช่วยวางแผนการริเริ่มและเป็นผู้นำในโครงการจีโนมมนุษย์
สวิตช์พลิก
ในขณะที่เครื่องมือการถ่ายภาพและการวัดจะช่วยให้นักวิจัยสามารถเชื่อมโยงกิจกรรมของเซลล์ประสาทหรือระดับสารสื่อประสาทกับฟังก์ชั่นหรือความผิดปกติของสมองการจัดการเซลล์ประสาทส่วนบุคคลอาจนำไปสู่การทดลองที่ทรงพลังยิ่งขึ้น นอกจากนี้ยังสามารถนำไปสู่การใช้งานทางคลินิก
ในสนามที่กำลังขยายตัวของ optogenetics เซลล์ประสาทจะถูกออกแบบมาเพื่อเปิดหรือปิดเพื่อตอบสนองต่อแสง “ เราสามารถเลือกเปิดใช้งานเซลล์ประสาทส่วนบุคคลได้โดยการทำเช่นนั้นคุณสามารถได้รับปัญหาเกี่ยวกับสาเหตุ” Clay Reid นักประสาทวิทยาของ Allen Institute for Brain Science ในซีแอตเทิลกล่าว
รายงาน 3 เมษายนในธรรมชาตินักวิจัยที่สถาบันการใช้ยาเสพติดแห่งชาติในบัลติมอร์และมหาวิทยาลัยแห่งแคลิฟอร์เนียซานฟรานซิสโกใช้ออพโตจีนิติกเพื่อผลิตหรือลดการใช้โคเคนบังคับในหนูโดยการจัดการกิจกรรมของกลุ่มเซลล์ประสาทที่เฉพาะเจาะจง
นักวิจัยหวังว่าผลการวิจัยจะนำไปสู่การรักษาใหม่สำหรับการติดยาเสพติด แต่ถนนสู่การใช้งานทางคลินิกเป็นเรื่องยากและต้องใช้การลงทุนอย่างยั่งยืน “ วิวัฒนาการของออพโตจีเนติกส์หรือเทคนิคที่คล้ายคลึงกันต้องการความช่วยเหลือมากมายเนื่องจากผลประโยชน์กำลังจะไกลเกินดุลค่าใช้จ่าย” Antonello Bonci จาก Nida กล่าว
เขากล่าวว่าเป็นข้อได้เปรียบอย่างมากของออพโตจีเนติกส์คือมันสามารถจัดการเซลล์ประสาทได้เกือบเรียลไทม์ แต่มันไม่สามารถใช้เป็นเวลานาน ในห้องแล็บของเขา Bonci เติมเต็ม optogenetics ด้วยเทคนิคที่มีแนวโน้มอื่นที่มีความละเอียดต่ำกว่า แต่สามารถใช้งานได้นานขึ้น มันเกี่ยวข้องกับการปลูกฝังเซลล์ประสาทที่ออกแบบมาเพื่อตอบสนองต่อสารประกอบบางชนิด การฉีดสารประกอบเหล่านั้นสามารถเปิดใช้งานหรือเงียบเซลล์
การเตรียมตัวสำหรับข้อมูลน้ำท่วม
การตรวจสอบและจัดการเซลล์แต่ละเซลล์เป็นเพียงส่วนหนึ่งของความท้าทาย การติดตามเซลล์ประสาทหนึ่งล้านเซลล์หนึ่งพันครั้งต่อวินาทีจะสร้างข้อมูลจำนวนมาก จำเป็นต้องใช้ซอฟต์แวร์ฐานข้อมูลและฮาร์ดแวร์เพื่อจัดเก็บและแจกจ่ายข้อมูลนั้นและประมวลผลและวิเคราะห์ ผู้เสนอโครงการพบกันที่ Caltech ในเดือนมกราคมเพื่อหารือเกี่ยวกับวิธีการตอบสนองความต้องการข้อมูล - ประมาณกิกะไบต์ที่สองเป็นเวลาหนึ่งล้านเซลล์ประสาทพร้อมกันหรือ 30 ล้านกิกะไบต์ต่อปี
นักวิจัยสามารถบีบอัดข้อมูลด้วยปัจจัย 10 โดยไม่ต้องเสียสละรายละเอียดที่สำคัญตามรายงานจากการประชุม ในที่สุดปัญหาข้อมูลไม่ควรผ่านไม่ได้ Yuste กล่าว อีกหนึ่งโครงการวิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่ที่เสนอกล้องโทรทรรศน์การสำรวจสรุปขนาดใหญ่จะผลิตข้อมูลทางดาราศาสตร์กิกะไบต์ประมาณ 10 ล้านกิกะไบต์ทางดาราศาสตร์ทุกปีเริ่มต้นในช่วงต้นปี 2020 ซึ่งถูกต้องเมื่อเครื่องมือนับล้าน-เส้นประสาทสามารถออนไลน์ได้
อุปสรรคทางเทคนิคไม่ใช่เพียงแค่ความกังวล Yuste และเพื่อนร่วมงานของเขามี สถานะของวิกฤตการคลังที่เกิดขึ้นซ้ำ ๆ ในวอชิงตันทำให้ยากที่จะได้รับโครงการขนาดใหญ่ใด ๆ ความไม่แน่นอนเกี่ยวกับการระดมทุนทำให้เกิดความสงสัยในหมู่นักวิทยาศาสตร์ซึ่งสงสัยว่าเงินจะถูกนำมาจากการวิจัยอื่น ๆ เพื่อให้ทุนโครงการ“ วิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่” ที่ขาดเป้าหมายสุดท้ายที่เป็นรูปธรรมหรือไม่
ผู้อำนวยการสถาบันสุขภาพแห่งชาติฟรานซิสคอลลินส์ตั้งข้อสังเกตว่าหน่วยงานของเขาได้จัดตั้งเวิร์กกรุ๊ปของนักประสาทวิทยาและนักธรรมชาติวิทยาบางคน - สนับสนุนและสงสัยเหมือนกัน - เพื่อเป็นแนวทางในการกำหนดเป้าหมายตารางเวลาและวิทยาศาสตร์ของโครงการ หนึ่งในเสื้อโค้ตคือ Cori Bargmann นักประสาทวิทยามหาวิทยาลัยร็อคกี้เฟลเลอร์ซึ่งก่อนหน้านี้ได้หยิบยกความกังวลว่าโครงการสามารถระดมทุนจากงานประสาทวิทยาศาสตร์อื่น ๆ
Gary Marcus นักประสาทวิทยาที่ New York University กล่าวว่าเขากังวลว่าโครงการมุ่งเน้นไปที่การพัฒนาเครื่องมือมากเกินไป แต่ตั้งข้อสังเกตว่าข้อเสนอของผู้บริหารอาจมีความยืดหยุ่นเพียงพอที่จะให้ทุนโครงการในด้านประสาทวิทยาศาสตร์อื่น ๆ
เขากลัวว่าจะเกิดอะไรขึ้นหากเครื่องมือได้รับการพัฒนา แต่ไม่ได้ให้ข้อมูลเชิงลึกที่สัญญาไว้ทั้งหมด “ เราจะเรียนรู้อะไรบางอย่างอย่างแน่นอน” มาร์คัสกล่าว “ ไม่ว่าเราจะเรียนรู้ทุกสิ่งที่เราอยากรู้เป็นคำถามอื่น”
