Neurobiologie synthétique

Lorsque vous programmez un ordinateur, vous n'avez pas besoin de diriger manuellement des électrons individuels ; si vous le faisiez, la complexité d'effectuer même le calcul le plus simple serait intimidante. Il est clair que construire ou réparer une chose complexe nécessite une couche d'abstraction, vous pouvez donc résoudre le problème spécifique tout en ignorant la complexité sous-jacente. Les problèmes du cerveau doivent également être traités à des niveaux d'abstraction appropriés. Au cours de la dernière semaine de septembre, j'ai participé à un panel de neurotechnologie au MIT. Un thème a doucement émergé : différents problèmes neurologiques et psychiatriques exigent des technologies de contrôle neuronal qui fonctionnent à différentes échelles spatiales et temporelles. Des choix de conception critiques doivent être faits : optez-vous pour un stimulateur neuronal invasif et spatialement focal ou pour un non invasif mais spatialement plus grossier ?

Réfléchissez à la question de savoir comment augmenter la cognition et l'humeur en stimulant des circuits neuronaux sélectionnés. Vous voudriez probablement une flexibilité maximale - la capacité d'ajuster l'humeur, la prise de décision, le jugement, etc., indépendamment les uns des autres. Les chercheurs ont tenté de modifier les fonctions cognitives par une stimulation non invasive des régions cérébrales corticales, chacune de quelques centimètres cubes de volume. Cependant, il est devenu clair que ces régions cérébrales ne sont pas les éléments les plus élémentaires des circuits cérébraux. Par exemple, la manipulation d'une région spécifique du cerveau peut modifier de nombreuses fonctions cognitives et émotionnelles, en parallèle. Prenons l'exemple concret de Stimulation magnétique transcrânienne (TMS) du cortex préfrontal droit. Au cours des dernières années, des études ont montré que la SMT de cette région du cerveau avec un protocole standard (une impulsion par seconde pendant 10 à 30 minutes) peut modifier la prise de décision face à l'injustice , améliorer les symptômes de la dépression , et augmenter les comportements à risque . Ainsi, il peut être difficile d'induire un état cérébral spécifique et souhaité, sans induire d'autres états cérébraux (peut-être indésirables), lorsque les primitives considérées sont toutes des régions du cerveau. De toute évidence, cette couche d'abstraction pratique, qui a été prédominante à travers des siècles de neurosciences, devra être affinée afin de développer une architecture entièrement flexible pour l'augmentation cognitive.

La partie difficile de la neuro-ingénierie est la partie neuro. Notre travail consiste à sculpter l'activité du circuit neuronal afin qu'il accomplisse un calcul ou un comportement souhaité, sans induire de modifications non optimales. Il y a quelques semaines, le président du département de génie biologique, Doug Lauffenburger, m'a déclaré : Ce que vous faites est de la neurobiologie synthétique, établissant des parallèles entre le travail de mon laboratoire et celui des laboratoires qui font de la biologie synthétique. Si vous avez suivi le domaine de la biologie synthétique, vous saurez qu'une prémisse majeure est la création de couches d'abstraction pour le génie biologique. Ce programme comprend le développement d'ensembles standardisés de pièces d'ingénierie de base (c'est-à-dire des pièces standard d'ADN qui codent avec précision des fonctions définies) et des règles de conception pour la construction de systèmes complexes à partir de systèmes similaires (c'est-à-dire des moyens de connecter des réseaux de gènes pour obtenir les résultats souhaités pour l'organisme. ). En suivant les règles de conception et en utilisant les pièces standardisées, les ingénieurs biologistes peuvent créer de nouveaux systèmes biologiques à partir de zéro, des systèmes qui ont du sens et fonctionnent de manière prévisible.

Dans notre laboratoire, nous avons commencé à assembler une boîte à outils de méthodes pour contrôler avec précision des primitives de circuits neuronaux spécifiques. Nous utilisons maintenant ces outils pour apprendre à contrôler les sorties comportementales, avec une grande précision et puissance. Espérons que de cette manière, nous apprendrons quelles sont les primitives neurobiologiques pour l'ingénierie du cerveau et développerons des règles de conception pour le contrôle optimal de la sortie des circuits neuronaux, en particulier dans les états pathologiques. Nous sommes à un stade précoce. Les biologistes synthétiques sont partis de l'hypothèse forte que les gènes étaient la bonne couche d'abstraction. Après tout, le génome est fondamental et l'ADN est facile à générer, manipuler et lire. Mais pour le calcul neuronal, nous ne savons pas quel est l'équivalent ADN. Les primitifs sont-ils des éléments dendritiques ? Des neurones uniques ? Connexions synaptiques ? Types de cellules ? Petits réseaux ? Grands réseaux ? Et à quelles échelles du système nerveux devrions-nous lire ? L'écriture?

Neurones contrôlables par la lumière. Crédit : J. Cardin, X. Han, X. Qian, C. Moore, E. Boyden.

Très probablement, la couche d'abstraction pour la neurobiologie synthétique variera considérablement selon les différents troubles neurologiques et psychiatriques pour lesquels nous concevons des solutions. Une tâche clé dans les années à venir sera de développer une méthodologie pour évaluer le niveau de description approprié pour résoudre un problème spécifique. Bien qu'une grande partie du travail de mon laboratoire se concentre sur le contrôle d'éléments de circuits neuronaux très spécifiques, en utilisant des impulsions lumineuses pour activer ou désactiver des types de cellules individuels avec une grande précision, il est clair que des outils très puissants peuvent exister à des niveaux d'abstraction beaucoup plus élevés. Par example, thérapie cognitivo-comportementale , dans laquelle les patients apprennent à déboguer les pensées négatives qui contribuent aux sentiments dépressifs, est une neurotechnologie profonde et puissante. Et il est entièrement basé sur la langue. Les neurotechnologies basées sur le langage activent des ensembles de neurones, répartis dans tout le cerveau, selon des schémas très précis et de manières pouvant provoquer des changements capables de perdurer tout au long de la vie. Le langage peut induire des changements précis dans le cerveau qui amènent les gens au bonheur, leur enseignent des compétences, les conduisent à la guerre et leur font ressentir de l'empathie, de la haine ou de l'euphorie. Comme John Hockenberry me l'a fait remarquer au printemps dernier, le langage est l'interface originale du cerveau. La complexité de la neurobiologie synthétique découle peut-être du fait que l'ingénierie cérébrale est, à certains égards, ce que nous faisons tous, tout le temps.

Citer comme suit : Boyden, E. S. Neurobiologie synthétique. Le blog d'Ed Boyden. Revue de la technologie. 09/10/07. ( http://www.technologyreview.com/blog/boyden/21871/ ).

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