神経科学の展望

いつものように、自然科学の進歩の主な原因は方法論の発展です。もちろん、概念的な発展は並行して進んでいきますが、神経科学の分野の驚異的な拡大は、最下層でのいくつかの方法論的ブレークスルーによって引き起こされたと思います。これらは、分子生物学、遺伝子工学の領域における進歩であり、特定の疾患の研究のための開発研究のためのモデルシステムを提供しました。

これらの技術は、ニューロンの生化学的および分子的同定のための非常に貴重なツールも提供しました。私たちは、形態学的に同一に見えるニューロンが、異なる分子機構に恵まれていることについて、ある程度の多様化について学びました。これらすべては、分子生物学の発展に負う

2つ目の重要な要素は、非侵襲的なイメージング技術の開発だと思います。これにより、動物実験で開発された多くの概念をヒト被験者の研究に移すことができました。これが機能的磁気共鳴画像法のポジトリー放出断層撮影法です。

また、磁気ホログラフィーの導入により、脳内の電気活動の分析のための空間分解能が大幅に向上したことで、この分野は大幅に拡大しました。神経生物学がニューロンネットワーク特性の分析に不可欠と考えるマルチサイト記録技術を適用し始めると、データはますます複雑になり、私がこの分野で働き始めた古典的な時代のように、データを見て評価することがますます不可能になったため、膨大なコンピューターパワーの可用性が高まったのは無視できない要因だと思います。 コンピュータはありませんでした。私たちは、長い紙片を切り取り、床の上に移動することで相互相関分析を行う必要がありました。

したがって、計算能力の利用可能性は、少なくともシステム生理学において大幅に進歩しました。その展開には大きな影響があったと思います。そして最後になりましたが、これらのコンピューター機能が利用できるようになったことで、ニューロンネットワークの特性を理論レベルで扱うこともできました。

ニューロンネットワークが示すダイナミクスは非常に複雑であるため、モデリング研究と理論的アプローチのみが、知識に基づいた仮説を立てる立場に私たちを導き出します。また、神経暗号の探索には、これらの探索ツールなしでは進められません。ですから、これらの方法論の発展が、神経科学の大きな拡大につながったのだと思いますが、これはどの科学分野でも前例のないことだと思います。

私自身の研究に関する限り、私の伝記には2つの部分があります。最初は脳の発達過程を研究していました。特に興味深かったのは、出生後の経験によって形成される発達過程です。

そして、このアプローチの理論的根拠は、成熟した脳の組織は非常に複雑であるため、発達原理をよりよく研究し、それらを理解し、これらの発達プロセスが最終的に何につながるかを推定しようとすると感じたからです。しかし、私たちが座っているまさにこの研究室で実際に起こった偶然の発見が私の人生を変えました、なぜなら、私はうっかりして、目を覚ましていた子猫の一次視覚野のニューロンが、実際には私の後ろのテーブルに座って漂う格子を見ながら、刺激の劣化にもドイツのメインスイッチによるものにも起因しない高度に同期した振動活動に巻き込まれたことを発見しました。それは40ヘルツの範囲の振動でした。そして初めて、空間的に分散したニューロンが、かなり長い距離にわたってミリ秒単位で非常に高い精度で活動を調整できることを知りました。

そして、これがきっかけで、時間が分散したニューロン反応の調整のためのコーディング空間として使われているのではないかという考えが生まれました。そして、私はこのオプションが非常に興味深いと感じたので、非常に愛されている発達神経生物学の分野を無視し、この現象のさらなる分析にほとんどの努力を投資することにしました。そして、これはもう15年以上前のことです。

それ以来、私たちはほとんどの時間をマルチサイトレコーディングと分散ニューラルネットワークにおける空間的時間特許の探索に費やしました。なぜなら、情報は古典的に想定され確認されているようにニューロンの放電率にコード化されるだけでなく、ニューロンの個々の放電間の正確な一時的な関係にも追加情報がコード化され、それによってゼロ相レイク相関がコード化されるとの固い信念があるからです。したがって、正確な偶然はおそらく氷山の一角にすぎません。しかし、重要なヒントとして、同期活動はニューロンネットワークにおいて特に興味深いものであり、応答の同期は非常に容易に伝播するため、大きな時間的位置を持つニューロン応答の顕著性を高める手段となります。

これは、スパイクごとに行うことができます。そして、最初の仮説は、この同期が空間的に分散したニューロンによって処理される特徴間の関係を確立するために、感覚処理の末梢段階で使用されるというものでした。それ以来、さらに多くの研究室が同期現象の探求に取り組んできました。

それはヨーロッパで始まったと思いますが、RIのような同僚がEEG技術を適用して脳内の同期振動活動を評価し、これらの活動を認知機能に関連付けることに成功しました。それ以来、振動と同期性の役割は、非常に物議を醸す方法で議論されてきました。この現象が存在するのではないかという当初の疑念は、今ではすべて打ち消され、私たちは今、機能的な結果を求め

そして、それが何を意味するのかについては、たくさんの仮説が立てられています。今日私たちが直面しているこの膨大な量のデータの蓄積は、私たちが対処するために非常に大きな困難を抱えていることは、真の進歩を反映していますか。ニューロンの組織、ニューロンネットワーク、および脳全体について、ますます多くの事実と詳細を知るようになるため、それは確かに進歩を反映しています。

そして、これは自然科学に適用される古典的な分析的アプローチの必然的な結果です。1つはサブシステムを分離し、それをこれまで以上に詳細に記述します。しかし、これは科学的な努力の半分に過ぎません。

また、帰納的戦略も必要です。これは、これらすべてのデータの合成です。そして、私たちが今直面しているのは、膨大な量の言葉があるということです。

私たちは覚えるのが難しい膨大な語彙を持っていますが、多くのドメインでそれらの単語を意味のある文にまとめるための構文が不足しています。これは特にシステム神経科学に当てはまります。ですから、より多くの理論が必要だと思います、なぜなら、条件が非常に複雑になり、言葉による記述に近いものでは、もはや把握したり、この合成プロセスを達成したりするのに十分では

正式な記述が必要であり、モデルを生成するための分析ツールが必要であり、これには非常に強力な計算が必要です。そしてもちろん、総合的な思考者も必要です。それがおそらく、その瞬間に最も重要な要素です。

大量の詳細を意味のある仮説や概念にまとめることができる人。もちろん、適切な環境を提供することでこのプロセスを促進することができますし、世界中では、通常、Institute for Computational NeuroscienceまたはInstitute for Theoretical Neuroscienceと呼ばれる機関を設立することで、そのような環境を提供する努力が見られます。当分の間、これらの場所の多くはまだ2つの大きな孤立した場所に存在しており、実験機関とのつながりが十分ではありません。

理想的には、理論物理学者と実験物理学者が自由に非常に緊密に協力し、データのアイデアを交換し、嫉妬することなくこれを行う物理学で非常に実り多いように、理論家と実験家の間の非常に緊密な協力を見たいものですが、私たちの分野ではまだそうではありません。しかし、生物学は今、理論的なアプローチを有意義な方法でサポートするのに十分な成熟度を持つ閾値に近づいていると思います。そして、ここフランクフルトに、まさにその目的のためにフランクフルト高等研究所を設立したのは、物理学者や数学者、理論家一般が実験研究所に組み込まれると、彼らは疎外されがちであることを私が経験したからです。

生物学者は通常、彼らの言語の訓練を受けていないため、話すのに十分な同僚がいません。そこで、月や脳のように密接に結合した多成分系である複数のモデルシステム、共通して生物学的モデルシステムを理論家が研究する研究所を作ろうという考えで、これらの複雑な自己組織化システムに共通の原理を発見し、分析ツールを共有できることを期待しています。 モデル構築のためのツールを共有できます。そして、それがうまくいったのは、約1年でこの研究所の科学者がゼロから120人に増えたからだと思います。

そして、この研究所の特別な構造は、アメリカの同僚にとっては驚くべきことではありませんが、これはヨーロッパでは非常に例外的ですが、この研究所が寄付者の私的資金によって独占的に資金提供されているということです。それは大学の研究所ではなく、フランクフルトの大学にリンクされていますが、それは単純な理由で、従来の学部内にこのような学際的な企業をインストールすることは不可能だったという単純な理由で金融です。なぜなら、そこで何が起こるかは本当に私は規律であり、それは学部を横断し、彼らは直立した独自の建物を持つことによってのみ実現可能であり、非常に異なるから来る人々を集めることによってのみ実現可能に見えます同じ屋根の下の規律。これらの用語は当初、物理システムから取られていましたが、脳は明らかに自己組織化システムであるため、脳の特性の一部をまだ把握しています。

脳内には、分散したすべてのプロセスを調整するコンダクターはいません。脳は、遺伝子と環境との相互作用を通じて自己組織化的に発達します。インストラクターはいない、青写真はない、先験的だ。

そして最後に、この用語は、複雑系で常に観察されること、つまり、複雑系は、コンポーネントの特性から記述または推測できない特性を示す傾向があることに非常によく当てはまります。そして、脳はこの事実の特に良い例であり、すべての複雑なシステムから、脳について特別なことは何もないことを私たちは知っています。脳について特別なことは、一方では物質的なプロセス、つまりニューロンの相互作用があり、これは私たちの環境内の他のプロセスと同様に第三者の観点から説明できることです。

そして、これらのニューロンの相互作用から生じるのは、感情、思考、決定などの心理現象である精神現象です。ですから、私が取り上げたい社会的現実は、互いにコミュニケーションを取り、互いに鏡像を映し出し、互いに特性を帰属させ、脳を人に置き換えることができる脳間の相互作用によって出現または生まれますが、実際には問題ではありません、なぜなら、人を最終的にその身体環境の脳にし、これらの相互作用によって、現実の現象として捉えられる現象が現れるからです。 それらは現実ですが、それらをもたらす現象、つまりニューロンの相互作用として、別の言語で説明する必要があります。ですから、これは複雑なシステムによって何か新しいものが生成されるという古典的な創発のケースであり、ニューロンに関する知識や完全な知識から、さらにはニューロンネットワークの完全な知識からさえも、それらが互いに相互作用するときに価値システムを発展させることができると誰も推論することはできないと思います。

脳を修復する取り組みの主な問題は、ニューロンが中枢神経系で簡単に再生されないという事実は別として、ニューロンは私たちが知らない理由で切断されたプロセスを延長することを好まないと思います。おそらく、そのようなメカニズムの開発にEvoの進化的圧力はなかったのでしょう、なぜなら、大規模に細胞死に実際につながる脳の損傷は、通常、生存と両立しなかったからです。損傷したニューロンネットワークを修復する際の大きな問題は、発生過程を再現するのが難しいことです。

成熟した脳は、遺伝子との対話と、発達を通じて変化するますます分化した細胞環境によって導かれ、複雑な自己組織化プロセスで一歩一歩発達した非常に洗練された回路によって特徴付けられます。そして、このプロセスは基本的にボトムアップのプロセスです。周辺構造は最初に成熟し、次に臨界期を経て接続性が固定され、より高い段階がすでに構築されたものに依存することができ、その後、すでにそこにあるものの機能として組織化されます。

そして、このプロセスは20歳まで人間の中で続き、その後、回路が結晶化し、その時点で私たちが持っている脳と一緒に生きなければなりません。学習と神経可塑性によるさらなる修正がありますが、これは限られています。さて、例えば幹細胞の注入など、より高い処理レベルでニューロンを置き換えるとしたら、これらのニューロンは分化することができ、前駆体がニューロンになることができますが、問題は、彼らが相互作用しなければならないパートナーを見つけるかどうかです。

情報はまだそこにありますか それは開発中に利用可能であり、軸索の成長を導き、特定の接続の形成を導きました。そして、必要なマーカー分子を発現するために必要な遺伝子は、開発が終了するとスイッチがオフになるため、この情報が入手できなくなることがわかっています。そして、おそらく必要なのは、ニューロンに分化できる細胞、そしてもちろんggl細胞にも分化できる細胞を供給するだけでなく、発生過程で活性を発揮した遺伝子を生物がオンにしたり、スイッチを入れたりするのを助けることで、細胞に誰と接続すべきかを伝えるために必要なすべての分子機構の発現につながることです。 彼らが接続すべき場所。

そしてもちろん、簡単に再インストールできないのは、学習プロセスによるすべての特異な配線とシナプスゲームの調整です。新しく統合されたニューロンには、もちろん、消えたニューロンの形態や構造、機能に刻み込まれた経験の思い出や記念品はありません。そのため、復元する能力には一定の制限があります。

そして、私たちが今気づくように、脳には、自然がニューロンの生涯にわたる再生を予見し、海馬や嗅球のようにニューロンの継続的な再生と挿入を促進するために必要な機械を生かし続けたため、これがそれほど問題にならないように見える特定の場所があります。しかし、これがおそらく大きな問題を引き起こしている他の構造、試みられ、まだ満足のいくものではなかったにもかかわらず一定の成功を収めた最初の置換、トポロジカル特異性がそれほど問題にならない変調システム。これらのシステムは、特定の興奮性を維持するために必要な特定の伝達物質を解放する内分泌またはパラクリンシステムのように機能しています。

これらのシステムは、特異性が問題にならないため、より簡単に交換できますが、将来、私たちがそこまで到達する様子が明らかになります。確かに、成人の伸長を阻害する因子を阻害し、発生中に作用して成長を促進するメカニズムを活性化することにより、いくつかの脊髄にオキソン伸長を再インストールする非常に有望なアプローチです。この分野では心強い成功例もありますが、ニューロンの活動がまだ利用可能な場所から記録し、機械装置やコンピュータインターフェースを通じて、この活動を運動系の行動に変換できるアクターを活性化するニューロン補綴物のオプションも非常に真剣に検討する必要があります。

あるいは逆に、感覚的な面では、人工内耳はすでに見事にうまく機能しています。現在、網膜変性症の人々の初歩的な視覚機能を再インストールするために、網膜インプラントを開発する試みがあります。また、網膜細胞に光依存性鉄チャネルを挿入して、通常は光感受性を持たない細胞、例えば神経節細胞や双極細胞が光感受性を持つようになるという非常に有望な選択肢もあります。これにより、光受容体が変性すると失われる機能を原理的には、光感受性を二次または三次ニューロンに移すだけで手綱を蓄えることができます。

これは、動物実験ですでに可能です。それは追求すべきもう一つの有望な道かもしれません。ヨーロッパには、19世紀末の概念の発展において非常に強い伝統があり、その後の実験的な神経生物学の根拠をある程度提供した独創的な人物

彼らはまた、ヨーロッパで活躍してきた多くのシステム生理学者の祖父でもあります。ヨーロッパのシステム神経科学には、線形システム理論がまだ最盛期にあった時代、いわゆるヨーロッパでサイバネティックスと呼ばれていた時代に、例えばリハドのような非常に強力な指数がいくつかあった時代に、良い伝統があると思います。その後、象徴的な転換ではなく、ヨーロッパや他の場所で分子の転換が起こり、分子生物学が引き継ぎ、システム指向のアプローチの多くに取って代わりました。

その理由の一つは、当初は動物全体を扱うよりも安かったこと、非侵襲的な技術が利用できなかったこと、そして今では人間の被験者でできる動物でできることができなかったためです。しかし、ヨーロッパでは一次研究に関して動物保護主義者と厳しい戦いを繰り広げなければならないにもかかわらず、システム生理学には強力なルネッサンスがあると思います。それができる研究室は、霊長類と仕事をするためのライセンスをまだ持っている人はどんどん少なくなっています。

これは私たちの場合であり、私たちは公の批判に非常にさらされていますが、それでもシステム神経科学はルネッサンスを迎えています。そして、それには正当な理由があると思います、なぜなら、ニューロンや小さな回路の特性によって収集される大量のデータを理解するために、ますます必要になるからです。そして、これらのデータは、ニューロンコードの性質、脳内の領域の協力、プロセスのグローバルな調整、分散処理に関するシステム神経科学から派生した概念を持っている場合にのみ統合できます。

これらの問題はすべて、現在白熱して議論されており、その線に沿ったさらなる実験が必要です。そして、ヨーロッパはこれを行うのに悪い立場にあるわけではないと思います。イスラエルも忘れてはなりませんが、イスラエルの同僚たちの貢献、また概念的な貢献