Verbindingen tussen hersencellen. NIH-afbeeldingengalerij / Flickr, CC BY-NC
Terwijl mensen op de maan hebben gelopen en sondes doorway het hele zonnestelsel hebben gestuurd, ontbreekt ons begrip van ons eigen brein nog steeds ernstig. We hebben geen volledige kennis van hoe hersenstructuur, chemicaliën en connectiviteit op elkaar inwerken om onze gedachten en gedragingen te produceren.
Maar dit komt niet doorway een gebrek aan ambitie. Het is bijna acht jaar geleden sinds de begin van het Human Mind Challenge (HBP) in Europa, dat tot doel heeft de mysteries van de hersenen te ontrafelen. Na een moeilijke start off heeft het task substantiële ontdekkingen en innovaties gedaan die pertinent zijn voor de aanpak van klinische aandoeningen en technologische vooruitgang – en het heeft nog twee jaar te gaan.
Het heeft ook EBRAINS gecreëerd, een open up onderzoeksinfrastructuur die is gebouwd op de wetenschappelijke vooruitgang en hulpmiddelen die zijn ontwikkeld doorway de onderzoeksteams van het venture, en deze beschikbaar stelt aan de wetenschappelijke gemeenschap through een gedeeld digitaal platform – een nieuwe prestatie voor gezamenlijk onderzoek en een belangrijke variable in de vermelde prestaties onderstaand.
1. Menselijke hersenatlas
Het challenge heeft een unieke menselijke hersenatlas op meerdere niveaus gecreëerd op foundation van verschillende aspecten van de hersenorganisatie, inclusief de structuur op de kleinste schaal, de functie en connectiviteit. Deze atlas biedt een groot aantal instruments om details te visualiseren en ermee te werken.
Visualisatie achieved behulp van de atlas.
Forschungszentrum Juelich / HBP, Auteur verstrekt
Onderzoekers kunnen automatisch gegevens uit de atlas halen satisfied behulp van een speciale tool om een simulatie uit te voeren voor het modelleren van de hersenen van specifieke patiënten. Dit kan helpen om clinici te informeren more than de optimale behandelingsoptie.
2. Synapsen in de hippocampus
Met behulp van elektronenmicroscopie, een techniek om hersenweefsel achieved ultrahoge resolutie te bestuderen, hebben onderzoekers gedetailleerde 3D-kaarten gepubliceerd van ongeveer 25.000 synapsen – elektrische en chemische signalen tussen hersencellen – in de menselijke hippocampus. Dit deel van de hersenen is betrokken bij geheugen, leren en ruimtelijke navigatie, en een van de eerste gebieden die vroeg in de ziekte van Alzheimer worden beschadigd.
Het Human Brain Project is het eerste dat een gedetailleerd beeld geeft van de synaptische structuur in dit belangrijke deel van de hersenen. Dit kan zorgen voor een beter begrip van ziekten zoals dementie, en kan ook helpen bij de ontwikkeling van computermodellen van de hersenen.
3. Robothanden
Doorway zijn complexiteit is de menselijke hand een van de moeilijkste lichaamsdelen om te imiteren. Hoewel zelfs kleine kinderen voorwerpen, zoals een kopje water, kunnen oppakken en manipuleren, was dit een zeer moeilijk probleem voor robothanden. The Shadow Robotic Firm, dat deelneemt aan het Human Mind Undertaking, ontwerpt en ontwikkelt uiterst behendige robothanden om de menselijke hand zo goed mogelijk na te bootsen.
Een van de recente uitvindingen van het bedrijf is ’s werelds eerste op aanraking gebaseerde telerobothand (zie video clip hierboven). De robothand heeft 129 sensoren en 24 gewrichten en heeft zeer vergelijkbare bewegingen als die van menselijke handen. Dit zorgt voor het ideale gebruik van kracht en veel fijnere manipulatie van objecten dan die van eerdere robothanden.
Deze uitvinding zal belangrijk zijn in protheses, en ook in de industrie, inclusief in productie, ruimteverkenning, geneeskunde en werk in gevaarlijke omgevingen waar je je echte handen niet zou willen gebruiken – zoals nucleair afval en achieved biologisch gevaarlijke stoffen. De HBP-wetenschappers en Shadowrobot werken samen om de robothanden een nog meer mensachtige behendigheid te geven, satisfied behulp van neurale netwerken.
4. Een neuro-geïnspireerde personal computer
Het menselijk brein bestaat uit bijna 100 miljard onderling verbonden hersencellen, wat een deel van de reden is dat het zo moeilijk te modelleren en te begrijpen is. Innovatief computergebruik heeft ons begrip vergroot door de uitwisseling van signalen tussen neuronen te simuleren, maar zelfs de beste software die tot nu toe op de snelste supercomputers draait, kan slechts 1% van het menselijk brein simuleren.
De Spiking Neural Community Architecture of “SpiNNaker”-equipment achieved miljoenen processorkernen beschikt around 100 miljoen transistors op elk van zijn 30.000 chips. Eén zo’n chip kan in realtime 16.000 neuronen en 8 miljoen synapsen simuleren. Dit is vergelijkbaar of zelfs beter dan de beste supercomputersoftware voor hersensimulatie die tot nu toe wordt gebruikt voor onderzoek naar neurale signalen.
Maar dit is slechts het commence. De unieke SpiNNaker communiceert niet door grote hoeveelheden informatie van A naar B te sturen by using een standaard netwerk. In plaats daarvan werkt het meer als het menselijk brein en stuurt het miljarden kleine hoeveelheden informatie tegelijkertijd naar duizenden verschillende bestemmingen, waardoor de manier waarop traditionele computer systems werken volledig opnieuw wordt bekeken.
De SpiNNakker heeft het potentieel om snelheids- en stroomverbruikproblemen van conventionele supercomputers te overwinnen – iets dat really hard nodig is als we het raadsel van het menselijk brein willen doorbreken. Uiteindelijk zou het ons begrip van neurale verwerking in de hersenen kunnen vergroten, ook bij leren en neurologische ziekten zoals de ziekte van Alzheimer.
5. Virtuele epileptische patiënt
Een andere belangrijke toepassing van EBRAINS was de ontwikkeling van een Digital Epileptic Affected person (VEP). Dit is een computerprogramma gebaseerd op gepersonaliseerde hersennetwerkmodellen van individuele patiënten. Dit wordt bereikt doorway het integreren van hersenconnectiviteitsgebieden die verantwoordelijk zijn voor aanvallen en laesies voor individuele patiënten, gedetecteerd door MRI.
Momenteel gebruiken clinici elektro-encefalogram (EEG), dat een registratie van hersenactiviteit biedt en helpt te identificeren wanneer en waar een aanval begint. Deze informatie alleen vertelt de arts echter niet alles wat hij nodig heeft om het sort aanval te bepalen en de beste beslissingen te nemen met betrekking tot de behandeling.
Gegevens van epileptische patiënten kunnen worden gebruikt in een computerprogramma.
© INS Marseille
Het model geeft een gepersonaliseerde voorspelling van de influence van een chirurgische behandeling voor een bepaalde patiënt. De chirurg kan dan de affect van meerdere verschillende therapeutische strategieën evalueren en de beste behandelingsoptie bepalen, satisfied het meest succesvolle resultaat. Het programma is bijna commercieel uitgebracht.
6. Wetenschappelijke output
Per september 2021 citeren 1.497 peer-reviewed tijdschriftartikelen, veel in significant-effects tijdschriften, het Human Mind Venture. Zo publiceerden onderzoekers in 2018 indrukwekkend werk more than neurotechnologie die het lopen bij patiënten met dwarslaesie herstelt in Nature. In 2020 publiceerde een staff in Science de meest uitgebreide atlas in excess of de cellulaire architectuur van de hersenen. In hetzelfde jaar ontdekten onderzoekers ook een specifiek sort actiepotentialen in hersencellen, bekend als piramidale cellen, en onthulden een belangrijk geheugenmechanisme in de hippocampus.
Een belangrijke doelstelling voor de toekomst is het ontwikkelen van “vooruitziendheid”, de praktijk van vooruitkijken om mogelijke toekomstige ontwikkelingen en veranderingen voor te stellen. Hopelijk zullen we op een dag de monumentale uitdaging aangaan om het menselijk brein te begrijpen en nieuwe behandelingen voor neurologische ziekten en psychiatrische stoornissen te ontdekken. Maar het zal niet gemakkelijk zijn – het is tenslotte moeilijker dan raketwetenschap.
We willen de directeur-generaal van het Human Mind Undertaking en de CEO van EBRAINS, Pawel Swieboda, bedanken voor hun bijdrage aan de informatie above EBRAINS.
Barbara Jacquelyn Sahakian ontvangt financiering van de Wellcome Have confidence in, Leverhulme Have confidence in en Lundbeck Basis. Haar onderzoek wordt uitgevoerd binnen de thema’s NIHR MedTech and in vitro diagnostic Co-operative (MIC) en het NIHR Cambridge Biomedical Investigation Centre (BRC) Mental Health and Neurodegeneration. Ze is lid van de Scientific and Infrastructure Advisory Board van het Human Brain Project.
Christelle Langley wordt gefinancierd door de Wellcome Believe in en de Leverhulme Believe in. Haar onderzoek wordt uitgevoerd binnen de thema’s NIHR MedTech and in vitro diagnostic Co-operative (MIC) en het NIHR Cambridge Biomedical Exploration Centre (BRC) Mental Overall health and Neurodegeneration.
Katrin Amunts ontvangt financiering van het Horizon 2020-kaderprogramma voor onderzoek en innovatie van de Europese Unie onder de specifieke subsidieovereenkomst nr. 945539 (Human Brain Challenge SGA3). Ze is professor voor hersenonderzoek, C. & O. Vogt Instituut, Universitair Ziekenhuis Düsseldorf aan de Heine Universiteit Düsseldorf, directeur van het Instituut voor Neurowetenschappen en Geneeskunde, Forschungzentrum Jülich, en Wetenschappelijk Onderzoeksdirecteur van het Human Mind Venture.
