Entriegelung des Gehirns, der Erde komplexeste biologische Struktur (Essay)

James Olds ist Leiter der Direktion der US National Science Foundation für Biowissenschaften und benannte Professor für molekulare Neurowissenschaften an der George Mason University. Olds trug dieses Artikels Leben Wissenschaft Experten stimmen: Op-Ed & Einblicke.

Ihr Gehirn ist im Wesentlichen das, was Sie macht... Sie. Es steuert Ihr denken, Problemlösung und freiwillige Verhaltensweisen. Zur gleichen Zeit hilft es laufend kritische Aspekte Ihrer Physiologie, wie Ihre Herzfrequenz und Atmung zu regulieren. Und doch Ihr Gehirn – ein nonstop Multitasking-Wunder – läuft auf nur ca. 20 Watt Energie, die gleiche Leistung als eine energiesparende Glühbirne.

Allerdings zum größten Teil des Gehirns ist eine unbekannte Grenze: Neurowissenschaftler noch voll und ganz verstehe nicht wie Informationen vom Gehirn verarbeitet wird. Das ist der Fall auch in das Gehirn von einem Wurm, der sich nur ein paar hundert Neuronen hat – nichts im Vergleich zu das menschliche Gehirn verfügt über 80 Milliarden auf 100 Milliarden Neuronen. Die Kette von Ereignissen, die einen Gedanken, Verhalten oder eine physiologische Reaktion erzeugt bleibt rätselhaft.

Warum? Das Gehirn ist das komplexeste biologische Struktur bekannt, Wissenschaftler. Wenn Forscher herausfinden können, wie es funktioniert, werden sie vielleicht die größte wissenschaftliche Leistung in der menschlichen Geschichtsschreibung erreichen. [Entriegeln der Geheimnisse des Gehirns (Galerie)]

Ein Big Bang Theory für das Gehirn

Neurowissenschaftler auf der ganzen Welt arbeiten daran, eine übergreifende Theorie wie funktioniert ein gesundes Gehirn entwickeln. Ähnlich wie the Big Bang Theory bietet eine mögliche Erklärung für den Kosmos und hilft leiten Forschung über die Entstehung des Universums, eine Theorie der gesunden Gehirnfunktion böte eine mögliche Erklärung der Funktionsweise des Gehirns und das gesamte Nervensystem, und Führer neurowissenschaftliche Forschung helfen würde.

Eine Theorie der gesunden Gehirnfunktion kann auch helfen, um zu erklären, wie Verletzungen und Krankheiten die Funktion des Gehirns stören. Eine solche Theorie könnte dazu beitragen, dass Forscher, die neue Wege zur Erforschung von Schädel-Hirn-Verletzungen und Erkrankungen des Gehirns zu identifizieren.

Wissen über gesunde Gehirnfunktion könnte auch dazu beitragen, die Entwicklung von smart Technologies inspirieren, die einige einzigartige Fähigkeiten des menschlichen Gehirns nachahmen. Wenn Supercomputer – die jeweils kann jährlich Millionen von Dollar Wert von Strom sowie große Mengen an Kühlwasser verbrauchen – könnte das Gehirn der Energieeffizienz entsprechen und Rechenleistung, ihre massiven Energieverbrauch würde einbrechen und Wissenschaft und Innovation Sprung nach vorne.

Neurowissenschaftler haben einige Fortschritte in Richtung des Gehirns zu verstehen. Sie identifizierten Hirnregionen, die bestimmte Funktionen, einschließlich der Sprache und Motorik, regulieren und sie können erkennen, strukturelle und funktionelle Veränderungen, die im Gehirn in der gesamten Lebensdauer des Tieres auftreten.

Und vor kurzem, haben Neurowissenschaftler erweiterte Tools zur Visualisierung und Analyse von Teilen des Gehirns in noch nie da gewesenen Detail entwickelt. Diese Tools bieten die erste detaillierte Einblicke in das Gehirn und sind Neurowissenschaften nach vorne stoßen, wie die erste leistungsstarke Teleskope die Tiefe Einblicke in das Universum und die Stoßrichtung Astronomie nach vorn zur Verfügung gestellt.

Die Gehirn-Initiative

Aufbauend auf diese und andere Innovationen, Präsident Barack Obama die Hirnforschung durch Förderung innovativer Neurotechnologien Initiative (Gehirn-Initiative) im April 2013 gestartet. Im Jahr 2015 bei $ 200 Millionen vom Bund finanziert, ist die Initiative eine öffentlich-Private Forschungsanstrengungen, Wissenschaftler Verständnis des Gehirns zu revolutionieren.

Im Rahmen der Initiative arbeitet NSF offenbaren, wie funktioniert ein gesundes Gehirn. Magnet-Resonanz-Tomographie (MRI) Technologie, bionischen Gliedmaßen und Laser-Augenchirurgie wurden in frühen NSF finanzierte Grundlagenforschung begründet, und diese neue Forschung auf das gesunde Gehirn könnte ebenso tief greifende Fortschritte. Als US-Bundesministerium WissenschaftsAgentur verbringen NSF ca. $ 48,48 Millionen auf Zuschüsse, die Unterstützung der Gehirn-Initiative, Teil von ca. $ 106,44 Millionen in Form von Zuschüssen bieten wir über verschiedenste Themen der Neurowissenschaften für alle "Verständnis der" Hirnforschung und wird.

Mit dieser Unterstützung sind unsere Research-Teams die Geheimnisse des Gehirns aus unterschiedlichen Blickwinkeln angehen. Sie erfinden neue Sonden überwachen und das Gehirn zu manipulieren; Gebäudemodelle Computer zu helfen, die Tätigkeit der Neuronen zu zeigen, dass Laufwerk Gedanken und Verhalten; Brain-imaging-Technologien zu verbessern; und das Nervensystem eine Vielzahl von Arten zu studieren.

Diese Forscher sind auch schaffen die Cyberinfrastructure zum Speichern und Verwalten der "big Data" von Gehirn Studien generiert. Dies ist von entscheidender Bedeutung: Wenn nanoskaligen Bilder von einem Gehirn in einem Stapel von 1 TB Festplatten gespeichert wurden, der Stapel erreichen würde, auf den Mond, oder darüber hinaus.

Die Gehirn-Grenzen

Darüber hinaus NSF 36 interdisziplinäre Teams mit einer Gesamtmenge von $ 10,8 Millionen in frühen Konzept Zuschüsse vorgesehen jeweils dieser leidige Frage: wie Schaltungen von Neuronen erzeugen Verhalten und lernen und Wahrnehmung zu ermöglichen?

Eines dieser Teams, von der University of North Carolina School of Medicine, ist eine neue Art des Mikroskops gleichzeitig anzeigen einzelne Neuronen feuern gleichzeitig in zwei oder mehr verschiedenen Regionen des Gehirns zu verbessern. Dieses Mikroskop wird erlauben, im Detail, zum ersten Mal sehen, wie verschiedene Bereiche des Gehirns Teams bis zur Verarbeitung von Informationen.

Eine ganz andere Wende nehmen, werden am neuen $ 25 Millionen NSF Center for Brains, Minds & Maschinen am MIT menschlicher Intelligenz und das Potenzial zur Schaffung intelligenter Maschinen untersucht. Wie Forscher lernen, diese Maschinen zu bauen, werden sie wahrscheinlich auch der Menschheit Verständnis der menschlichen Intelligenz voraus.

Wenn Geschichte ein Leitfaden ist, haben diese und andere grundlegende Hirnforschung Projekte wichtige Anwendungen. Beispielsweise forderte Grundlagenforschung auf lichtempfindlichen Organismen führte zu der Entwicklung im Jahr 2005, der eine bahnbrechende Technologie Optogenetik gezielt drehen einzelne Neuronen ein- und Ausschalten durch aussetzen sie ans Licht. (Siehe Animation Optogenetik hier zu erklären. )

Heute, wird Optogenetik, verwendet, um die möglichen Rollen von fehlerhaften Neuronen in der Parkinson-Krankheit, Schizophrenie, Depression, Schlägen, PTSD, Süchte und einige Formen von Blindheit gesehen zu studieren.

Und zuletzt, Zuschauer von der WM 2014 vor kurzem sah eine weitere wichtige Anwendung der grundlegenden Hirnforschung: der erste Kick der Spiele erfolgte durch eine Person mit Querschnittslähmung tragen ein Exoskelett die NSF-finanzierte Forschung integriert wie Neuronen an motorischen Lernens beteiligt sind — Forschung, die vor fast zwanzig Jahren begann.

Über Regierung, und dem ganzen Land sind die Hoffnungen hoch, dass weitere, grundlegende, neurowissenschaftliche Forschung die Grundlagen werden für weitere Fortschritte, die Gesellschaft helfen zusätzliche Schritte nach vorne machen.

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