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Neurobiología sintética
Cuando programa una computadora, no tiene que dirigir electrones individuales manualmente; si lo hiciera, la complejidad de realizar incluso el cálculo más simple sería abrumadora. Está claro que construir o arreglar algo complejo requiere una capa de abstracción, por lo que puede resolver el problema específico en cuestión sin tener en cuenta la complejidad subyacente. Los problemas del cerebro también deben abordarse en niveles apropiados de abstracción. Durante la última semana de septiembre participé en un panel de neurotecnología en el MIT. Un tema surgió silenciosamente: diferentes problemas neurológicos y psiquiátricos exigen tecnologías de control neuronal que operen en diferentes escalas espaciales y temporales. Deben tomarse decisiones de diseño críticas: ¿opta por un estimulador neuronal invasivo y espacialmente focal o por uno no invasivo pero espacialmente más crudo?
Considere la cuestión de cómo podría aumentar la cognición y el estado de ánimo estimulando circuitos neuronales seleccionados. Probablemente desee la máxima flexibilidad: la capacidad de ajustar el estado de ánimo, la toma de decisiones, el juicio, etc., independientemente unos de otros. Los investigadores han intentado alterar las funciones cognitivas mediante la estimulación no invasiva de las regiones corticales del cerebro, cada una de unos pocos centímetros cúbicos de volumen. Sin embargo, ha quedado claro que estas regiones del cerebro no son los elementos más elementales de los circuitos cerebrales. Por ejemplo, la manipulación de una región específica del cerebro puede cambiar muchas funciones cognitivas y emocionales, en paralelo. Considere el ejemplo concreto de estimulación magnética transcraneal (TMS) de la corteza prefrontal derecha. En los últimos años, los estudios han demostrado que la EMT de esta región del cerebro con un protocolo estándar (un pulso por segundo durante 10 a 30 minutos) puede alterar la toma de decisiones frente a la injusticia , mejorar los síntomas de la depresión , y aumentar el comportamiento de riesgo . Por tanto, puede resultar difícil inducir un estado cerebral específico deseado sin inducir otros estados cerebrales (quizás no deseados), cuando las primitivas consideradas son todas regiones cerebrales. Claramente, esta conveniente capa de abstracción, que ha sido prominente a lo largo de siglos de neurociencia, deberá refinarse para desarrollar una arquitectura completamente flexible para el aumento cognitivo.
La parte difícil de la neuroingeniería es la parte neuro. Nuestro trabajo es esculpir la actividad del circuito neuronal para que logre un cálculo o comportamiento deseado, sin inducir alteraciones que no sean óptimas. Hace unas semanas, el presidente del departamento de Ingeniería Biológica, Doug Lauffenburger, me declaró: Lo que estás haciendo es neurobiología sintética, estableciendo paralelismos entre el trabajo de mi laboratorio y el trabajo de los laboratorios que hacen biología sintética. Si ha estado siguiendo el campo de la biología sintética, sabrá que una premisa importante es la creación de capas de abstracción para la ingeniería biológica. Esta agenda incluye el desarrollo de conjuntos estandarizados de partes de ingeniería básica (es decir, piezas estándar de ADN que codifican funciones definidas con precisión) y reglas de diseño para construir sistemas complejos a partir de sistemas similares (es decir, formas de conectar redes de genes para lograr los resultados deseados del organismo). ). Siguiendo las reglas de diseño y utilizando las partes estandarizadas, los ingenieros biológicos pueden crear nuevos sistemas biológicos desde cero, sistemas que tienen sentido y funcionan de manera predecible.
En nuestro laboratorio, hemos comenzado a ensamblar una caja de herramientas de métodos para controlar con precisión primitivas específicas del circuito neuronal. Ahora estamos utilizando estas herramientas para aprender a controlar las salidas de comportamiento, con gran precisión y potencia. Con suerte, de esta manera aprenderemos cuáles son las primitivas neurobiológicas para diseñar el cerebro y desarrollaremos reglas de diseño para el control óptimo de la salida del circuito neuronal, especialmente en estados patológicos. Estamos en una etapa inicial. Los biólogos sintéticos partieron de la fuerte hipótesis de que los genes eran la capa de abstracción adecuada. Después de todo, el genoma es fundamental y el ADN es fácil de generar, manipular y leer. Pero para la computación neuronal, no sabemos cuál es el ADN equivalente. ¿Son los elementos dendríticos primitivos? ¿Neuronas individuales? ¿Conexiones sinápticas? Tipos de células ¿Pequeñas redes? ¿Grandes redes? ¿Y a qué escalas del sistema nervioso deberíamos estar leyendo? ¿Escribiendo?
Neuronas controlables por luz. Crédito: J. Cardin, X. Han, X. Qian, C. Moore, E. Boyden.
Lo más probable es que la capa de abstracción de la neurobiología sintética varíe mucho entre los diferentes trastornos neurológicos y psiquiátricos para los que estamos diseñando soluciones. Una tarea clave en los próximos años será desarrollar una metodología para evaluar el nivel de descripción apropiado para resolver un problema específico. Aunque gran parte del trabajo de mi laboratorio se centra en controlar elementos de circuitos neuronales muy específicos, utilizando pulsos de luz para encender o apagar tipos de células individuales con alta precisión, está claro que pueden existir herramientas muy poderosas en niveles mucho más altos de abstracción. Por ejemplo, terapia de conducta cognitiva , en el que los pacientes aprenden a depurar los pensamientos negativos que contribuyen a los sentimientos depresivos, es una neurotecnología profunda y poderosa. Y se basa completamente en el lenguaje. Las neurotecnologías basadas en el lenguaje activan conjuntos de neuronas, distribuidas por todo el cerebro, en patrones muy precisos, y de formas que pueden provocar cambios capaces de durar toda la vida. El lenguaje puede inducir cambios precisos en el cerebro que llevan a las personas a la felicidad, les enseñan habilidades, las llevan a la guerra y las hacen sentir empatía, odio o alegría. Como me señaló John Hockenberry la primavera pasada, el lenguaje es la interfaz original del cerebro. Quizás la complejidad de la neurobiología sintética surge del hecho de que la ingeniería cerebral es, de alguna manera, lo que todos hacemos, todo el tiempo.
Citar como: Boyden, E. S. Synthetic Neurobiology. Blog de Ed Boyden. Revisión de tecnología. 9/10/07. (http://www.technologyreview.com/blog/boyden/21871/).