«С этим новым микроскопом мы считаем, что скоро сможем рассматривать мозг как клавиатуру пианино, так сказать, и записывать последовательность действий, которая необходима для понимания или исправления функции мозга», — сказал Хиллел Адесник. Доктор философии, доцент кафедры нейробиологии Калифорнийского университета в Беркли, возглавлявший исследовательскую группу. «После дополнительных усовершенствований этот инструмент может функционировать как своего рода Розеттский камень, помогающий нам взломать нейронный код».Адесник представит это исследование на Ежегодном собрании Американской ассоциации анатомов во время экспериментальной биологии в 2016 году.
Для обработки входных данных, хранения информации и выдачи команд нейроны мозга взаимодействуют друг с другом посредством двухпозиционных электрических сигналов, похожих на единицы и нули, используемые для кодирования информации в компьютерном программировании. Хотя ученые уже давно могут наблюдать эти сигналы с помощью различных методов визуализации, без понимания «синтаксиса» того, как этот цифровой код преобразуется в информацию, коммуникационная система мозга по существу не поддается расшифровке.«Если вы хотите выучить язык, вам нужен словарь, а если вы хотите понять, как работает машина, вам нужно знать ее составные части», — сказал Адесник. «Мы хотели разработать технологию, которая может предложить общий подход к пониманию основного синтаксиса нейронных сигналов, чтобы мы могли начать понимать, что делает данная мозговая цепь и, возможно, что с ней не так в случае болезни. "По словам Адесника, лучший способ изучить этот синтаксис — это не просто читать информацию, а фактически записывать ее, внося небольшие изменения в код, вводя новый код обратно в мозг и наблюдая, как он меняет восприятие или поведение.
Новый микроскоп, который команда Адесника разработала, объединив и опираясь на несколько существующих технологий, разработанных другими исследователями, является первым, который может обрабатывать и передавать информацию в пространственном и временном масштабе, который действительно имеет отношение к манипулированию активностью мозга.«Мозг — это огромная совокупность отдельных клеток, и клетки, расположенные рядом друг с другом, могут делать совершенно разные вещи», — сказал Адесник. «Разрешение нашей техники является ключевым, потому что, если вы не смотрите на одну ячейку, вы можете, так сказать, скремблировать свой код, и вы не сможете правильно его интерпретировать.
Преодолевая последние технологические препятствия для Чтобы достичь разрешения одной клетки и, в то же время, перейти к временному масштабу, в котором работают клетки, мы разработали прототип микроскопа, который обеспечивает уровень детализации, необходимый для реального понимания нейронного кода ».Инструмент, который они изобрели, по сути, представляет собой микроскоп, который указывает на мозг живой мыши, увеличивает изображение нескольких тысяч клеток и использует сложные лазеры для управления электрическими сигналами между отдельными нейронами.Поскольку лазеры могут проникать в ткани мозга, но не в череп, исследовательская группа имплантировала небольшие стеклянные окна в черепа мышей, используемых для тестирования прибора. Расположенный над окном, микроскоп использует два разных типа мощных инфракрасных лазеров для создания трехмерного голографического рисунка в определенной интересующей области мозга.
Поскольку исследования проводятся на мышах, генетически модифицированных, чтобы нейроны реагировали на свет — метод, называемый оптогенетикой, — голограмма побуждает нейроны посылать электрические сигналы по определенной схеме, которая заранее определена исследователями.«Мы адаптируем технологию голографического дисплея, оптогенетику, сенсорную биологию и поведение в одну целостную систему, которая позволяет использовать полностью оптический подход к изображению и манипулированию нервной системой», — сказал Адесник. «По сути, мы соединили множество разрозненных существующих частей, чтобы достичь того, чего еще никто не достиг».Пока что команда провела предварительные испытания инструмента, нанеся на карту эффекты небольших возмущений, таких как шевеление уса, а затем создала голограммы, которые заставляют нейроны срабатывать по тем же или немного другим паттернам.
В серии испытаний, которые все еще продолжаются, они работают с мышами, обученными нажимать определенный рычаг, когда они видят определенную форму, чтобы разработать голограммы, которые «обманом» заставляют мышь видеть, например, круг, которого не существует, или заставить мышь воспринимать квадрат как круг. В ближайшем будущем команда надеется применить микроскоп для изучения формирования памяти.
После того, как микроскоп будет подвергнут дальнейшему тестированию и доработке, наиболее непосредственным применением микроскопа, вероятно, будут фундаментальные исследования, но Адесник сказал, что вполне возможно, что его основная технология однажды может быть адаптирована для терапевтического использования, например, для исправления неврологических проблем в высокотехнологичная форма хирургии головного мозга. Однако до такого применения еще далеко, и применение устройства на людях потребует решения целого ряда новых технологических проблем.