Понимание того, как работает мозг, возможно, является одной из величайших научных задач нашего времени.
–Аливисатос и др. [1]
Инициатива Белого дома BRAIN ( Исследование мозга посредством продвижения инновационных нейротехнологий ) — это совместная государственно-частная исследовательская инициатива, объявленная администрацией Обамы 2 апреля 2013 года с целью поддержки разработки и применения инновационных технологий, которые могут создать динамическое понимание функций мозга . [2] [3] [4] [5] [6]
Эта деятельность представляет собой грандиозный вызов, направленный на революционизацию нашего понимания человеческого мозга, и была разработана Управлением по политике в области науки и технологий Белого дома (OSTP) в рамках более широкой Инициативы Белого дома в области нейронауки. [7] Вдохновленный проектом «Геном человека» , BRAIN стремится помочь исследователям раскрыть тайны заболеваний мозга , таких как болезни Альцгеймера и Паркинсона , депрессия и черепно-мозговые травмы (ЧМТ).
Участниками BRAIN и филиалами проекта являются DARPA и IARPA , а также многочисленные частные компании, университеты и другие организации в Соединенных Штатах, Австралии, Канаде и Дании. [8]
Инициатива BRAIN отражает ряд влияний, возникших более десятилетия назад. Некоторые из них включают: плановые совещания в Национальных институтах здравоохранения , которые привели к Blueprint для исследований в области нейронауки NIH; [9] семинары в Национальном научном фонде (NSF) по познанию , нейронауке и конвергентной науке , включая отчет 2006 года «Grand Challenges of Mind and Brain»; [10] отчеты Национального исследовательского совета и Форума по нейронауке и расстройствам нервной системы Института медицины , включая «From Molecules to Mind: Challenges for the 21st Century», отчет семинара 25 июня 2008 года «Grand Challenges in Neuroscience».; [11] годы исследований и отчетов ученых и профессиональных обществ; и интерес Конгресса.
Одним из важных мероприятий был проект «Карта активности мозга» . В сентябре 2011 года молекулярный биолог Миюнг Чун из Фонда Кавли организовал конференцию в Лондоне, на которой ученые впервые выдвинули идею такого проекта. [4] [12] На последующих встречах ученые из лабораторий правительства США, включая членов Управления по политике в области науки и технологий , а также из Медицинского института Говарда Хьюза и Института науки о мозге Аллена , вместе с представителями Google , Microsoft и Qualcomm , обсуждали возможности будущего проекта под руководством правительства. [2]
Другие источники влияния включали междисциплинарный проект «Десятилетие разума» под руководством Джеймса Л. Олдса, который в настоящее время является помощником директора по биологическим наукам в NSF, [13] [14] и проект «Революция в протезировании» в DARPA под руководством доктора Джеффри Линга , показанный в программе 60 Minutes в апреле 2009 года. [15]
Разработка плана для инициативы BRAIN в Исполнительном офисе президента (EOP) была возглавлена OSTP и включала следующих сотрудников EOP: Филип Рубин , тогдашний главный помощник директора по науке и лидер Инициативы по нейронауке Белого дома; Томас Калил , заместитель директора по технологиям и инновациям; Кристин Доргело , тогдашний помощник директора по грандиозным вызовам, а позднее руководитель аппарата OSTP; и Карлос Пенья, помощник директора по новым технологиям и в настоящее время директор отдела по устройствам неврологической и физической медицины в Управлении по оценке устройств, Центра устройств и радиологического здоровья (CDRH), Управления по контролю за продуктами питания и лекарственными средствами США (FDA). [16] [17]
2 апреля 2013 года на мероприятии в Белом доме президент Барак Обама объявил об инициативе BRAIN с предлагаемыми первоначальными расходами на 2014 финансовый год в размере около 110 миллионов долларов от Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA), Национальных институтов здравоохранения (NIH) и Национального научного фонда (NSF). [4] [5] [6] Президент также поручил Президентской комиссии по изучению биоэтических проблем изучить этические, правовые и социальные последствия, возникающие в связи с инициативой и нейронаукой в целом. Дополнительные обязательства также взяли на себя Институт науки о мозге Аллена , Медицинский институт Говарда Хьюза и Фонд Кавли . NIH также объявил о создании рабочей группы Консультативного комитета при директоре во главе с нейробиологами Корнелией Баргманн и Уильямом Ньюсомом и с официальным участием DARPA и NSF, чтобы помочь сформировать роль NIH в инициативе BRAIN. NSF планировал получать рекомендации от своих консультативных комитетов, от Национального научного совета и от ряда встреч, объединяющих ученых в области нейронауки и смежных областях. [4] [5] [6]
В новостях сообщалось, что исследование позволит отобразить динамику активности нейронов у мышей и других животных [3] и, в конечном итоге, десятки миллиардов нейронов в человеческом мозге. [18]
В научном комментарии 2012 года, описывающем экспериментальные планы для более ограниченного проекта, Аливисатос и др. изложили ряд конкретных экспериментальных методов, которые могут быть использованы для достижения того, что они назвали «функциональным коннектомом », а также новые технологии, которые должны быть разработаны в ходе проекта. [1] Они указали, что первоначальные исследования могут быть проведены на Caenorhabditis elegans , а затем на Drosophila , из-за их сравнительно простых нейронных цепей. Среднесрочные исследования могут быть проведены на данио-рерио , мышах и этрусской землеройке , а исследования в конечном итоге будут проведены на приматах и людях. Они предложили разработку наночастиц , которые могли бы использоваться в качестве датчиков напряжения , которые будут обнаруживать отдельные потенциалы действия , а также нанозондов , которые могли бы служить электрофизиологическими многоэлектродными матрицами . В частности, они призвали к использованию беспроводных, неинвазивных методов обнаружения нейронной активности, либо использующих микроэлектронную сверхкрупномасштабную интеграцию , либо основанных на синтетической биологии , а не на микроэлектронике. В одном из таких предложенных методов ферментативно произведенная ДНК будет служить «тикерной записью» нейронной активности, [1] [19] основанной на ошибках, вызванных ионами кальция при кодировании ДНК-полимеразой . [20] Данные будут анализироваться и моделироваться с помощью крупномасштабных вычислений . [1] Связанная с этим методика предлагает использовать высокопроизводительное секвенирование ДНК для быстрого картирования нейронных связей. [21]
График, предложенный Рабочей группой в 2014 году, следующий: [22]
Консультативный комитет: [23]
По состоянию на декабрь 2018 года на сайте инициативы BRAIN перечислены следующие участники и аффилированные лица:
Ученые предложили разные точки зрения на этот план. Нейробиолог Джон Донохью сказал, что проект заполнит пробел в исследованиях нейронауки между, с одной стороны, измерениями активности на уровне областей мозга с использованием таких методов, как фМРТ , и, с другой стороны, измерениями на уровне отдельных клеток . [3] Психолог Эд Вул выразил обеспокоенность, однако, что инициатива отвлечет финансирование от исследований отдельных исследователей. [3] Нейробиолог Дональд Стайн выразил обеспокоенность тем, что было бы ошибкой начинать с траты денег на технологические методы, не зная точно, что будет измеряться. [4] Физик Майкл Рукс вместо этого утверждал, что методы в нанотехнологиях становятся достаточно зрелыми, чтобы сделать время подходящим для карты активности мозга. [4] Нейробиолог Родольфо Ллинас заявил на первой встрече Рокфеллера: «То, что здесь произошло, великолепно, никогда прежде в нейронауке я не видел столько единства в такой славной цели». [24]
Проекты сталкиваются с большими логистическими проблемами. Нейробиологи подсчитали, что проект будет генерировать 300 эксабайт данных каждый год, что представляет собой значительный технический барьер. [25] Большинство доступных мониторов активности мозга высокого разрешения имеют ограниченное применение, поскольку их необходимо имплантировать инвазивным хирургическим путем, вскрывая череп. [25] Были проведены параллели с прошлыми крупномасштабными правительственными исследовательскими усилиями, включая карту генома человека , полет на Луну и разработку атомной бомбы . [2]