Messung des vollständigen neuronalen Inputs

Die Messung, wie Neuronen ihre Eingaben integrieren und darauf reagieren, ist der Schlüssel zum Verständnis des beeindruckenden und komplexen Verhaltens von Menschen und Tieren. Eine vollständige Messung der neuronalen Input-Output-Funktionen (IOFs) wurde jedoch bei keinem Tier erreicht. Durch die vollständige Messung von IOFs im Modellsystem C. elegans könnten wichtige Methoden verfeinert und Prinzipien entdeckt werden, die sich in der gesamten Neurowissenschaft verallgemeinern lassen.

Ziel der Systemneurowissenschaft ist es, das komplexe Zusammenspiel von Neuronen im Gehirn zu verstehen, das das beeindruckende Verhalten von Tieren ermöglicht. Eine entscheidende Komponente dieses Verständnisses ist die Input-Output-Funktion (IOF) von Neuronen, die charakterisiert, wie ein Neuron seine Eingaben integriert und darauf reagiert. Trotz ihrer Bedeutung ist jedoch keine vollständige Messung der IOFs bei irgendeinem Tier möglich, was zu einem erheblichen blinden Fleck in unserem Verständnis der Gehirnfunktion führt. Während Teile von IOFs durch verschiedene Experimente gemessen wurden, kontrollieren diese Bemühungen nur eine kleine Teilmenge der Eingaben in ein bestimmtes Neuron und liefern nur einen kleinen Ausschnitt des wahren IOF. Darüber hinaus ist die Ausgabe von Neuronen eine komplexe nichtlineare Funktion ihrer Eingaben, was die Komplexität des Problems erhöht. Um die Berechnung und Funktion des Gehirns wirklich zu verstehen, benötigen wir eine detaillierte Funktionsweise der IOFs, was die Kontrolle aller Eingaben und die Beobachtung der Faktoren erfordert, die die IOFs formen. Würde man dies an einem einzigen Tiermodell verfolgen, könnten neue Methoden, Werkzeuge und wissenschaftliche Prinzipien entdeckt werden, die groß angelegte Innovationen in der gesamten Neurowissenschaft anstoßen könnten.

Ziel des Projekts ist es, durch die vollständige Kartierung neuronaler IOFs mithilfe des Modellorganismus C. elegans ein tieferes Verständnis darüber zu erlangen, wie Neuronen im Gehirn Informationen verarbeiten. Diese umfassende Kartierung ist ein entscheidender Schritt zum Verständnis, wie die Neuronen des Gehirns Signale empfangen, integrieren und darauf reagieren. Das Projekt wird eine Kombination fortschrittlicher Techniken einschließlich Optogenetik, moderner Mikroskopie und Mikrofluidik verwenden, um das Nervensystem der Würmer zu steuern und zu beobachten, und Modelle entwickeln, um vorherzusagen, wie Neuronen auf der Grundlage ihrer Eingaben reagieren. Das Team wird außerdem untersuchen, wie verschiedene Faktoren wie Chemikalien, Medikamente und nicht-neurale Zellen diese Reaktionen beeinflussen. Um den größtmöglichen Nutzen für das Fachgebiet und die wissenschaftliche Gemeinschaft zu gewährleisten, werden alle Daten und Erkenntnisse offen geteilt und Ressourcen für die Förderung der Zusammenarbeit mit externen Experten in den Bereichen experimentelles Design, Technologieentwicklung sowie rechnerische und theoretische Analyse bereitgestellt.

Focused Research Organizations (FROs) sind zeitlich begrenzte, auf Missionen ausgerichtete Forschungsteams, die wie ein Startup organisiert sind, um eine bestimmte mittelgroße wissenschaftliche oder technologische Herausforderung anzugehen. FRO-Projekte zielen darauf ab, transformative neue Werkzeuge, Technologien, Prozesse oder Datensätze zu entwickeln, die als öffentliche Güter dienen und neue Fähigkeiten für die Forschungsgemeinschaft schaffen, mit dem Ziel, den wissenschaftlichen und technologischen Fortschritt allgemein zu beschleunigen. Entscheidend ist, dass es sich bei FRO-Projekten um solche handelt, die aufgrund widersprüchlicher Anreize, Prozesse, Missionen oder Kulturen oft in die Lücken fallen, die bestehende Forschungsfinanzierungsquellen hinterlassen. Es gibt wahrscheinlich eine große Bandbreite an Projektkonzepten, bei denen Agenturen Einrichtungen im FRO-Stil nutzen könnten, um ihre Mission zu erfüllen und den wissenschaftlichen Fortschritt voranzutreiben.

Dieses Projekt eignet sich für einen FRO-Ansatz, da es ein Maß an koordinierter Entwicklung und Technik erfordert, das für ein einzelnes akademisches Labor zu groß, für eine lockere Zusammenarbeit mehrerer Labore zu komplex und für ein von einem Risikokapital finanziertes Projekt nicht direkt profitabel genug ist Startup oder industrielles F&E-Projekt. Das Projekt zielt auch darauf ab, durch sein Engagement für offene Wissenschaft eine Reihe öffentlicher Güter zu schaffen, mit Plänen, Daten und Code während ihrer Entwicklung zu teilen. Im weiteren Sinne eignet sich die Arbeit gut für die Entwicklung neuer Tools und Methoden und nicht für Produkte oder Veröffentlichungen, die durch traditionelle Forschungsmodelle gefördert werden.

Dieses Projekt zielt darauf ab, die Neurowissenschaften zu revolutionieren, indem es die erste vollständige Messung neuronaler Input-Output-Funktionen (IOFs) im Modellorganismus C. elegans bereitstellt. Die Identifizierung kausaler Wechselwirkungen zwischen Neuronen wird beispiellose Einblicke in die Gehirnfunktion ermöglichen und die dabei entwickelten Methoden ebnen den Weg zum Verständnis komplexerer Nervensysteme.

Autoren

Referenten

Um die Lücke zwischen akademischen und kommerziellen Anreizen zu schließen, sollte die US-Regierung zentralisierte Forschungsprogramme, sogenannte FROs, finanzieren, um klar definierte Herausforderungen anzugehen.