In che modo "Brain Observatories" può aiutare l'iniziativa BRAIN?

Fonte: Viktoriya / Shutterstock

Nel 2013, il presidente Obama ha presentato un'iniziativa pubblica-privata da 100 milioni di dollari per mappare il cervello umano. Barack Obama ha descritto The BRAIN Initiativ e dicendo: "C'è questo enorme mistero che aspetta di essere sbloccato, e l'iniziativa BRAIN cambierà questo dando agli scienziati gli strumenti di cui hanno bisogno per ottenere un'immagine dinamica del cervello in azione e capire meglio come pensiamo e come impariamo e come ci ricordiamo. E quella conoscenza sarà trasformativa. "

Nei primi anni '60, il presidente John F. Kennedy guidò una straordinaria espansione del programma spaziale statunitense. Il JFK ha impegnato risorse nazionali sostanziali per raggiungere l'ambizioso obiettivo di avere la NASA sbarcare un uomo sulla luna e riportarlo a casa in sicurezza. In molti modi, l'interesse di Obama nell'esplorare il nostro spazio interiore più profondo, è in linea con il desiderio di Kennedy di esplorare lo spazio esterno.

Fonte: per gentile concessione della NASA

Il vincitore del premio Nobel, Sydney Brenner, ha detto: "I progressi nella scienza dipendono da nuove tecniche, nuove scoperte e nuove idee, probabilmente in quest'ordine". L'esplorazione dello spazio e del cervello umano si basano entrambe su tecniche e tecnologie avanzate per fare nuove scoperte.

Storicamente, i ricercatori interdisplinari che lavorano collettivamente hanno facilitato la trasformazione di nuove idee in scoperte scientifiche. Per questo motivo, un gruppo di importanti neuroscienziati americani chiedono la creazione di "osservatori cerebrali" centralizzati che potrebbero rivoluzionare la capacità degli scienziati negli Stati Uniti di ricercare il cervello umano.

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Qual è l'iniziativa BRAIN?

L'iniziativa BRAIN prende il nome dall'acronimo " Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies ." Nel 2013, l'iniziativa BRAIN si proponeva di far avanzare le conoscenze scientifiche su come pensiamo, impariamo e ricordiamo a livello neurale. Un giorno, i risultati di questa iniziativa potrebbero portare a scoperte nel modo in cui diagnostichiamo e curiamo malattie neurologiche come il morbo di Alzheimer (AD), il disturbo dello spettro autistico (ASD) e la schizofrenia.

Negli ultimi due anni, l'iniziativa BRAIN ha compiuto progressi nel raggiungimento degli obiettivi di neuroscienza su larga scala e nello sviluppo di strumenti di ricerca più avanzati. Tuttavia, vi è un nuovo invito all'azione da parte di un gruppo di neuroscienziati per la creazione di una rete nazionale coordinata di centri di neurotecnologia o "osservatori del cervello". Attualmente, l'iniziativa BRAIN coinvolge oltre 100 laboratori autonomi in tutti gli Stati Uniti. In genere, questi laboratori non condividono i loro dati o la loro tecnologia l'uno con l'altro, il che rallenta il progresso.

La lettera di parere dell'ottobre 2015, "Una rete nazionale di centri di neurotecnologia per l'iniziativa BRAIN", è stata pubblicata sulla rivista Neuron . I sei autori della lettera includono: Rafael Yuste della Columbia University, Michael Roukes of Caltech, Ralph Greenspan dell'Istituto Kavli for Brain and Mind, George Church del Wyss Institute e Harvard Medical School, Miyoung Chun della Kavli Foundation e A Paul Alivisatos dell'Università della California, Berkeley. Nella loro lettera di opinione, scrivono:

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"Nella nostra proposta originale per un progetto Brain Activity Map (BAM) (Alivisatos et al., 2012) abbiamo sottolineato che la comprensione scientifica del cervello è stata ostacolata dai limiti dei metodi tradizionali per registrare l'attività neuronale … Per risolvere le sfide di osservando e interagendo con i circuiti neurali a questi più alti livelli di complessità, abbiamo sottolineato i recenti progressi della nanotecnologia, dei reporter molecolari, dei sistemi ottici e fotonici avanzati e dell'integrazione di semiconduttori su larga scala. Questi campi sono ora sufficientemente maturi per consentire la loro concatenazione in potenti neurotecnologie che trasformeranno radicalmente il modo in cui viene condotta la ricerca neuroscientifica.

Le nostre idee hanno costituito la base di quella che è diventata l'iniziativa BRAIN (Insel et al., 2013), una grande sfida nazionale della Casa Bianca che attualmente coinvolge più di cento laboratori statunitensi e numerose propaggine regionali. L'approccio collettivo di questa grande sfida nella scienza e nella tecnologia è già ampiamente percepito come un successo nazionale e un esempio della leadership statunitense nella scienza e nella tecnologia.

Proponiamo la creazione di una rete nazionale di centri di neurotecnologia per migliorare e accelerare l'iniziativa BRAIN e sfruttare in modo ottimale lo sforzo e la creatività dei singoli laboratori coinvolti in esso. Come "osservatori cerebrali", questi centri potrebbero fornire l'ambiente critico interdisciplinare sia per la realizzazione di tecnologie ambiziose e complesse, sia per fornire ai singoli investigatori l'accesso ad essi.

In fisica e astronomia, il paradigma del centro è stato a lungo inteso come il mezzo per l'ascesa tecnologica di ciò che viene definito indice del livello di competenza tecnologica (TRL). Sforzi coordinati su scala centrale hanno consentito a progetti complessi di raggiungere sistemi sufficientemente maturi per consentire il lancio di esperimenti sofisticati e missioni esplorative all'avanguardia con un'alta probabilità di successo ".

Quattro modi in cui gli osservatori del cervello potrebbero aiutare l'iniziativa BRAIN

I sei autori della recente lettera che chiedono "osservatori del cervello" delineano quattro aree principali dell'iniziativa BRAIN che sono particolarmente dipendenti dalle nuove tecnologie. I progressi scientifici probabilmente non saranno scoperti rapidamente in queste categorie senza la creazione di una rete nazionale centralizzata di neurotecnologie condivise.

4 categorie che richiedono osservatori del cervello

1. Connectomics
2. Sistemi di nanosonda neurali
3. Nuove tecnologie di imaging a risonanza
4. Estrazione di dati computazionale

Ognuna di queste quattro categorie richiede piattaforme che sono costose da acquisire, implementare e mantenere. Gli autori affermano che se ognuno di questi quattro è ospitato solo in un singolo laboratorio e non è condiviso con altri, diminuisce la riproducibilità e la robustezza scientifica.

Gli autori scrivono: "Vi sono enormi opportunità di rapidi progressi nelle quattro aree menzionate sopra se l'iniziativa BRAIN si espande oltre il suo attuale portafoglio di progetti di investigatori singoli e pochi. Questi centri unirebbero e sinergizzerebbero le centinaia di singoli laboratori ora finanziati dall'Iniziativa BRAIN ".

Conclusione: i centri di neurotecnologia amplificheranno i risultati individuali

Gli "Osservatori del cervello" potrebbero essere modellati su osservatori astronomici esistenti che condividono collettivamente i dati. Nella loro lettera di opinione, i sei neuroscienziati concludono,

"Prevediamo centri che, in quanto" osservatori del cervello "(Yuste and Church, 2014), sono indipendenti pur essendo fortemente interattivi e collaborativi, non solo all'inizio, ma per tutta la loro durata di vita. Tali centri potrebbero essere creati in laboratori accademici esistenti o strutture nazionali o implementati de novo.

Riteniamo che le sfide tecnologiche che devono essere superate siano sufficientemente complesse da essere al di là della portata degli sforzi dei singoli investigatori; crediamo che possano essere superati solo attraverso sforzi altamente coordinati, multi-investigatori e interdisciplinari. Riteniamo che la fase iniziale dell'iniziativa BRAIN abbia gettato le basi per le prossime fasi critiche: consentire lo sviluppo di sistemi integrati di neurotecnologia e, successivamente, l'ampia diffusione di strumenti di nuova creazione.

Infatti, poiché i centri di neurotecnologia che sosteniamo finiranno per avvantaggiare la società in generale, riteniamo che debbano esistere nel pubblico dominio e essere gestiti come una risorsa nazionale. L'avvio di tali centri nazionali richiederà consenso tra ricercatori, funzionari federali e organizzazioni private; per ottenere ciò, sarà essenziale una leadership pubblica ispirata.

L'iniziativa BRAIN ha gettato le basi per il successo, ed è pronta a generare una nuova ed entusiasmante fase delle neuroscienze con un immenso potenziale per il beneficio sociale e la scoperta scientifica. Il rapido insediamento di una rete nazionale vitale di centri di neurotecnologia orientati alla collaborazione è la via più sicura per raggiungere questo obiettivo. Se l'iniziativa BRAIN ha successo come uno sforzo nazionale di proporzioni storiche, deve essere trattata come tale ".

Si spera che questo invito all'azione mobiliterà tutte le varie istituzioni e i responsabili delle politiche coinvolti nell'iniziativa BRAIN a lavorare collettivamente verso un obiettivo comune creando una rete nazionale centralizzata di centri neurotecnici.

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