Vad är BRAIN Initiative Mapping Project?

Innehåll

• Vad är hjärnkartläggning?
• Forskningsfinansiering stöder BRAIN-initiativet
• Viktiga mål för BRAIN-projektet
• För- och nackdelar med hjärnkartläggningsprojektet

Hjärnkartläggning låter som något som tas direkt ur science fiction.Man kan föreställa sig en miniatyriserad utforskare som noggrant dokumenterar sina upptäckter när hon passerar hjärnans yta, inklusive dalar och ridlinjer. I verkligheten kan hjärnkartläggning hjälpa oss att bättre förstå diskreta regioner i hjärnan och leda oss till upptäckter som lindrar allvarliga störningar som Alzheimers, Parkinsons, depression och traumatiska hjärnskador. Det är målet med BRAIN Initiative Mapping Project.

Vad är hjärnkartläggning?

Pausa ett ögonblick för att tänka på hjärnan. Den kan innehålla 100 miljarder celler. Varje cell, kallad neuron, kan ansluta till tiotusentals andra hjärnceller.

Dessa nätverk stöder funktioner som är integrerade i våra liv. Utan en ens minimalt fungerande hjärna, skulle de flesta samtycka, det finns inget meningsfullt liv. Vetenskapen har försökt belysa detta viktigaste av våra organ.

Historien om hjärnkartläggning

Att förstå hjärnan inte som ett enda, enhetligt organ utan som en som består av diskreta regioner är ett begrepp som har funnits i mer än 100 år. År 1909 skrev Korbinian Brodmann ett papper som beskriver en karta över hjärnbarken och delar hjärnans yta i 43 områden. Han separerade dessa regioner baserat på prover av tunnskuren hjärnvävnad som visar tydliga cellkroppsfärgningsmönster. Arkitekturen av celler kan användas för att dela upp hjärnan i olika områden.

Brodmanns försök var enormt inflytelserika. Att korrelera anatomisk struktur med hjärnans funktion var unik. Det gjorde det möjligt att utveckla ett ramverk som försökte koppla skador på specifika strukturer till konsekvent funktionsförlust. Hans första karta hjälper fortfarande neurovetenskapsmän att lokalisera fynd till hjärnavbildning, vilket kan uppnås i samband med stroke, traumatisk skada eller tumör.

Hjärnkartläggning idag

Precis som andra kartor kan förfinas över tid har ytterligare arbete utvidgat vår förståelse för den topografiska organisationen av hjärnans vävnader. Brain Activity Map Project skapades för att främja sådana framsteg. Detta projekt förkunnades vid en konferens som anordnades av Miyoung Chun från The Kavli Foundation i London i september 2011.

Forskare har fortsatt att främja förståelsen av hjärnans struktur.

År 2016 delades hjärnan ytterligare upp i 180 separata paket som visade tydliga skillnader i struktur, funktion och anslutning - 97 inkluderade områden beskrivs för första gången.

Dessa nyare kartor är konstruerade med användning av magnetisk resonanstomografi (MRI), inklusive funktionell MR (fMRI), som mäter blodflödet som svar på olika (mycket specifika) mentala uppgifter.

Denna typ av kartläggning innebär långsamt rörelse över hjärnans yta tills betydande förändringar noteras i två eller flera oberoende egenskaper, vilket hjälper till att avgränsa gränser på kartan. Även om antalet områden kan vara konsekventa varierar storlekarna från individ till individ. Dessa skillnader kan viktigt skilja mellan kognitiva och kreativa förmågor samt den potentiella risken för hjärnrelaterade sjukdomar som Alzheimers, Parkinsons och till och med depression.

Att dela hjärnan i mindre bitar kan hjälpa neurovetenskapsmän att uppskatta hur det fungerar som en helhet. Enstaka mätningar kan dock visa sig vara ofullständiga, vilket ger en vilseledande bild av hjärnan och dess funktion.

Kartläggning förklarar också lite om den biokemi som är grundläggande. Det kan också misslyckas med att klargöra rollen för små grupper eller till och med viktiga enskilda neuroner. När tekniken utvecklas kan det krävas upprepade kartläggningsinsatser.

Utöver strukturella skillnader som syns på mobilnivå kan det vara möjligt att organisera hjärnans vävnader baserat på dess aktivitet och samtrafik. Med politiskt och ekonomiskt stöd delades projektet in i ett bredare BRAIN-initiativ.

Forskningsfinansiering stöder BRAIN-initiativet

För att avslöja hjärnans komplexitet krävs en nästan oöverträffad samarbetsnivå inom det vetenskapliga samfundet, en vilja att arbeta tillsammans över geopolitiska skillnader och en sammanslagning av resurser i ett globalt offentlig-privat partnerskap.

Ursprungligen kallad Brain Activity Map, Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN) Initiative lanserades av president Barack Obama i USA den 2 april 2013.

BRAIN-initiativet strävar efter att kartlägga hundratusentals neurons funktion samtidigt, eftersom de fungerar med en flyktig tanke.

Innan vi granskar ambitionerna med detta projekt är det viktigt att inse att amerikanerna inte är ensamma i strävan.

Faktum är att BRAIN-projektet ansluter sig till andra globala initiativ som ingår i ett globalt tryck för att bättre förstå hjärnans inre funktion. Den 19 september 2016 lanserades International Brain Initiative vid ett möte som åtföljde FN: s generalförsamling. National Sleep Foundation och National Institute of Health (NIH) i USA har åtagit sig resurser för att utveckla och stödja projektet.

Utöver utvecklingen av en detaljerad plan för att styra nödvändig vetenskaplig forskning, inklusive tidtabeller, milstolpar och uppskattade kostnader, måste ekonomiskt stöd både förvärvas och upprätthållas. Brain Mapping Project och det bredare BRAIN-initiativet finansierades ursprungligen med mer än 100 miljoner dollar och det förväntas kosta miljarder dollar under mer än ett decennium.

Utöver offentliga forskningsmedel har privata ansträngningar inom dynamisk kartläggning av hjärnan inkluderat:

• Allen Institute for Brain Science i Seattle (spenderar 60 miljoner dollar årligen under 4 år)
• Howard Hughes Medical Institute i Virginia (spenderar minst 30 miljoner dollar årligen)
• Kavli Foundation i Oxnard, Kalifornien (spenderar 4 miljoner dollar årligen i tio år)
• Salk Institute for Biological Studies i San Diego (ansluter 28 miljoner dollar till ansträngningar)

Det samarbetsvilliga offentlig-privata forskningsinitiativet har i slutändan ett mål att stödja utvecklingen av innovativa tekniker som kan skapa en dynamisk förståelse för hjärnans funktion.

Viktiga mål för BRAIN-projektet

Det bredare uppdraget med BRAIN-initiativet är "att fördjupa förståelsen för det mänskliga sinnets inre arbete och förbättra hur vi behandlar, förebygger och botar hjärnsjukdomar." För att åstadkomma detta måste ny teknik utvecklas för att utforska hur hjärnans celler och kretsar samverkar, vilket i slutändan avslöjar de komplexa kopplingarna mellan hjärnans funktion och beteende.

Det finns flera viktiga mål för detta projekt, och det finns otaliga sätt att detta kan realiseras under det kommande decenniet.

• Avancerad neuroteknik: Ekonomiskt stöd för lovande forskning kommer att leda till en snabb utveckling av teknik som inte bara hjälper oss att förstå hjärnans grund, utan också hur man diagnostiserar och behandlar störningar som påverkar den. Innovation, vetenskapliga genombrott och enhetsutveckling kräver tvärvetenskapliga team av ingenjörer och neurovetenskapsmän.
• Underlätta dynamisk avbildning: Om nuvarande hjärnavbildning är som att bläddra igenom en trave fotografier, kommer nyare teknik att producera dynamiska bilder, som att titta på hjärnans funktion i realtid. Bildteknik måste avanceras för att visualisera dessa funktioner med högre upplösning över olika tids- och tidsskalor.
• Utforska hjärnans funktionalitet: Hjärnan är inte ett statiskt organ; den registrerar, bearbetar, lagrar, hämtar aktivt och använder stora mängder information nästan omedelbart. För att förstå denna kapacitet måste hjärnan undersökas i realtid med flera potentiella metoder, varav många för närvarande inte finns.
• Länk beteende till funktion: Den yttre manifestationen av hjärnfunktion observeras som ett beteende. Vad som är mer komplicerat är de otaliga sätt som någon kan noteras att bete sig. Med hjälp av avancerade beräkningsmodeller kan det vara möjligt att riva upp dessa mönster och banbrytande modeller för att förbättra önskat beteende.
• Förbättra konsumentapplikationer: Medicinsk utrustning som interagerar med hjärnvävnad kan påverka våra framtida liv i hög grad, och reglering måste främja konsumenternas hälsa och välbefinnande. Att föra dessa tekniker till konsumenterna med ett öga på både säkerhet och effektivitet är nyckeln när fältet går framåt.

För- och nackdelar med hjärnkartläggningsprojektet

Det kan verka som om det finns gränslösa möjligheter och gränslös potential inom neurovetenskap. När vi utvecklar kunskapen om hjärnan får vi en intim förståelse för vad det innebär att vara människa. Hjärnkartläggningsprojektet kan dock ha vissa nackdelar.

• Pengar dränerar: Ett stort projekt som detta kan avskaffa ekonomiskt stöd och uppmärksamhet från andra värdiga orsaker. Denna finansiering kan plötsligt minskas av myndigheter eller ideella organ.
• Olika forskningsprioriteringar: Inte alla forskare har samma fokus. När de tvingas söka ekonomiskt stöd kan detta leda bort dem från deras styrkor. Etiska överväganden kan också begränsa samarbetet, eftersom inte alla forskare kommer att delta i exempelvis primatforskning.
• Konflikt och brist på samförstånd: När vi söker vetenskaplig sanning är vägen framåt inte alltid tydlig. Starka personligheter i kombination med meningsskiljaktigheter kan leda till motstridiga hypoteser och forskningsprioriteringar. Denna brist på samförstånd bland experter kan orsaka oenighet.
• Ignorerar bidrag från mindre länder: Även om industriländer kan bidra med 300 miljoner dollar i forskningsfinansiering, kan utvecklingsländer kanske inte på samma sätt göra anspråk i projektet. Detta kan motverkas av bidragande patienter, modellorganismer och prisvärd teknik - men bara om det finns en plats vid bordet.
• Grundläggande vetenskap kontra tillämpad teknik: Viss vetenskaplig kunskap erhålls enbart med det ädla syftet att främja kunskap. Ekonomiska incitament och förmågan att skapa en tillämpad teknik som kan vara lönsam kan tippa fokus för strävan.
• Integrera befintliga resurser: Detta projekt bygger på tidigare arbete och måste hitta ett sätt att integrera US Human Connectome Project (med fokus på att kartlägga hjärnans strukturella och funktionella kopplingar), Europeiska unionens Human Brain Project (med fokus på grundläggande vetenskap om hur hjärnan fungerar ) och Kanadas CBRAIN-program (med fokus på att skapa tekniker som kan tillämpas på medicin), bland andra föregående ansträngningar.

Lyckligtvis finns det mycket löfte och anledning till hopp när detta projekt fortsätter. Hjärnkartläggning kommer så småningom att integrera flera mätningar, inklusive:

• Kortikal tjocklek
• Hjärnfunktion
• Anslutning mellan regioner
• Topografisk organisering av celler
• Nivåer av myelin (fettisolering som påskyndar neuralsignalering)

Att förena forskningsinsatser, tillåta team att samarbeta och utbyta information, att sträva efter specifika mål under Brain Mapping-projektets banner kommer att möjliggöra betydande framsteg inom neurovetenskap.

Ett ord från Verywell

Brain Mapping Project representerar ett anmärkningsvärt engagemang för att finansiera framsteg i vår förståelse av sambandet mellan strukturer och funktioner i hjärnan. Kraftfulla mikroskop, superdatorresurser och universella hjärnkartläggningsverktyg gör det möjligt för forskare att påskynda upptäckten. Dessa framsteg kan visa sig möjliggöra en förbättring av hjärnans hälsa för hela mänskligheten, men bara om finansiering och samarbete upprätthålls.