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Recherche ou étude moderne sur les modèles de signaux nerveux

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J'essaie de trouver une étude récente sur la reconnaissance de formes dans les signaux nerveux. Peu importe la partie du corps sur laquelle se concentre la recherche. Cela peut aller de l'étude de l'activité d'un groupe de nerfs aux signaux provenant d'un membre entier.

Je n'ai pu trouver que des recherches anciennes (1996), qui pourraient être beaucoup plus complètes avec les progrès modernes de l'informatique et de la fabrication de micro-instruments. Voici un exemple de vieux papier.

P.S. Je recherche généralement des informations sur la façon dont les signaux nerveux diffèrent chez plusieurs sujets de la même espèce. Par exemple, en quoi la réponse nerveuse à un stimuli différerait-elle pour deux souris d'une même progéniture et en quoi différerait-elle de ses parents.


Vous voudrez peut-être en savoir plus sur les potentiels liés aux événements (enregistrés par EEG) ou les champs liés aux événements (enregistreur par MEG). L'idée est simple :

1) Choisissez un stimulus, par ex. une personne touchant la main d'un sujet. Choisissez un autre stimulus, par ex. le sujet voyant une personne toucher la main d'un autre sujet. Enregistrer EEG/MEG.

2) Répétez chaque condition au moins quelques centaines de fois. Jetez les mauvaises données et faites la moyenne des répétitions. Vous faites la moyenne car le rapport signal sur bruit est faible dans toutes les mesures électriques non invasives, et les signaux sont toujours criblés d'artefacts de mouvement, cardiaques et de clignement des yeux.

3) Comparez les conditions dans chaque capteur. Le repos est statistique, mais pas très facile.

En fait, l'expérience ci-dessus porterait sur les neurones miroirs, un sujet relativement brûlant en neurosciences. (Voir par exemple le numéro récent de Nature)

La situation plus générale est que l'utilisation d'algorithmes de reconnaissance de formes/apprentissage automatique pour étudier les signaux cérébraux est déjà une chose standard à faire. Il existe par exemple des programmes d'études supérieures/de premier cycle en neurosciences computationnelles.

Si vous étudiez un autre signal (par exemple, mesure à partir d'une main, d'une jambe), ils vont s'émousser. Très terne. Principalement parce qu'alors vous avez 1 série temporelle, au lieu de plusieurs centaines de séries temporelles à analyser.

Par exemple, je voudrais savoir si l'application d'un objet chaud/froid sur la peau des membres droit et gauche amènerait le neurone sensoriel à envoyer le même signal ou un signal similaire (impulsion électrique) à la moelle épinière.

Vous pouvez également l'étudier avec les champs/potentiels liés à l'événement.


Les neurones sensoriels sont le portail du cerveau vers le monde extérieur. Quatre des cinq sens traditionnels, les «sens spéciaux» de la vision, de l'odorat, de l'ouïe et du goût, sont véhiculés par des organes sensoriels discrets qui contiennent quelques types de cellules hautement spécialisées de transduction de signaux, telles que des bâtonnets et des cônes dans la rétine, ou cochléaires. cellules ciliées dans l'oreille. Cependant le sens du toucher, qui est véhiculé par les neurones sensoriels somatiques généraux, est beaucoup moins bien défini. Ces neurones résident dans des ganglions discrets situés à la périphérie du tronc cérébral et de la moelle épinière, y compris les ganglions trijumeau qui reçoivent les signaux du visage et de la tête, et les ganglions de la racine dorsale qui desservent le tronc et les membres. Traditionnellement, les neurones sensoriels somatiques ont été divisés en trois grands sous-types : les nocicepteurs (pour détecter la douleur), les mécanorécepteurs (pour détecter le toucher) et les propriocepteurs (qui détectent la position du corps). Les nocicepteurs et les mécanorécepteurs se terminent dans la peau, tandis que les propriocepteurs se terminent dans les muscles et les tendons.

Il est reconnu depuis longtemps que les terminaisons nerveuses de la peau présentent une gamme variée de formes, mais des études antérieures ont généralement utilisé des méthodes histologiques dans des coupes de tissus qui ne révèlent pas la morphologie complète de chaque axone neuronal. Maintenant, en écrivant eLife. Cajal, qui a révélé pour la première fois l'architecture complexe des neurones uniques (voir Figure 1). Les résultats de l'expérience de Johns Hopkins sont en grande partie de nature descriptive, et nous pourrions supposer que les résultats rapportés sont déjà enfouis quelque part dans la littérature, mais ils ne le sont pas. Ainsi nous est rappelé que notre connaissance des systèmes expérimentaux, même bien étudiés, est encore très fragmentaire.

Dessins de neurones et de terminaisons nerveuses réalisés à plus d'un siècle d'intervalle. Le dessin de gauche a été réalisé par Santiago Ramón Y Cajal en 1899 et montre des cellules de Purkinje dans le cervelet d'un pigeon. Les cellules ont été colorées avec du bichromate de potassium et du nitrate d'argent. Le tracé de droite montre les terminaisons nerveuses de la peau d'une souris. Une combinaison de techniques génétiques et histochimiques a été utilisée pour enregistrer l'image à partir de laquelle la trace est prise (Wu et al., 2012).

IMAGE : INSTITUTO SANTIAGO RAMÓN Y CAJAL

Ce dernier travail a été rendu possible par le système Cre-Lox, une approche largement utilisée dans laquelle une enzyme recombinase Cre est utilisée pour éliminer l'ADN chromosomique flanqué de deux séquences de reconnaissance loxP génétiquement modifiées. Wu, Williams et Nathans ont utilisé cette méthode pour exciser une séquence signal bloquant l'expression d'un gène marqueur histochimique qui avait été précédemment conçu dans l'emplacement chromosomique d'un facteur de transcription (Brn3a) qui est important dans le développement du système nerveux sensoriel. Une caractéristique clé des expériences était l'utilisation d'une forme de l'enzyme Cre qui n'est transloquée dans le noyau qu'en présence d'un médicament de type œstrogène, le tamoxifène, de sorte que la probabilité que le gène marqueur soit exprimé devrait être liée à la concentration de tamoxifène. . Par titrage par essais et erreurs de la dose de tamoxifène administrée à des souris gravides portant des portées transgéniques, il a été possible de marquer un petit nombre de neurones sensoriels discrets.

Les chercheurs de Johns Hopkins tentent de catégoriser systématiquement, pour la première fois, les axones complexes de nombreux neurones sensoriels individuels en fonction de leur morphologie, du nombre et de la densité de leurs terminaisons, ainsi que de leur relation avec les follicules pileux, où la plupart des fibres se terminent. . Ils reconnaissent qu'il doit s'agir d'un système préliminaire, car seul un sous-ensemble de neurones sensoriels est échantillonné. Une classe de terminaison axonale peut être compatible avec des fibres véhiculant une sensation de démangeaison, mais la plupart des terminaisons véhiculant de la douleur, des températures agréables et désagréables et des irritants chimiques ne sont probablement pas révélées par la méthode d'étiquetage utilisée. Une classe particulièrement intéressante de neurones marqués possède des axones avec des terminaisons en forme de C qui n'encerclent que partiellement les follicules pileux et qui se terminent sur un côté cohérent des follicules disposés sur une grande surface cutanée. Cette structure peut être particulièrement adaptée pour transmettre la direction du mouvement des stimuli tactiles à travers la peau. Récemment, il est devenu possible de corréler certains marqueurs bien connus de sous-types sensoriels avec la morphologie terminale et les propriétés électrophysiologiques des mécanorécepteurs (Li et al., 2011), et la fonction de la plupart des mécanorécepteurs identifiés ici attendent d'autres études physiologiques.

Il sera intéressant de voir dans quelle mesure ces divers modèles de terminaisons nerveuses sont pré-ordonnés par les programmes de régulation des gènes au cours de la période de développement lorsque les axones se développent à partir des ganglions sensoriels, et dans quelle mesure ils sont adaptatifs. La cascade globale de régulation des gènes pour la spécification précoce de la douleur, du toucher et des neurones sensoriels somatiques proprioceptifs est maintenant assez bien comprise (Liu et Ma, 2011). Chez les souris dépourvues des facteurs de transcription Islet1 et Brn3a (le locus du gène utilisé pour cibler le rapporteur dans cette étude), les neurones sensoriels restent dans un « état fondamental » générique de différenciation et expriment peu de marqueurs spécifiques au sous-type (Dykes et al., 2011). Des travaux récents ont montré que le récepteur tyrosine kinase cRet (Luo et al., 2009) et le facteur de transcription cMaf (Wende et al., 2012) sont nécessaires au développement de certaines classes de mécanorécepteurs. Cependant, aucun de ces mécanismes de développement n'est proche d'offrir une explication de la diversité des arbres sensoriels observés par Wu, Williams et Nathans. Si une grande partie de la diversité observée dans la présente étude est génétiquement déterminée, alors une grande partie du programme de régulation de la différenciation sensorielle est encore inconnue.

Une question connexe est de savoir si le modèle d'arborisation sera similaire dans les régions de la peau avec des propriétés sensorielles très différentes. Il est bien connu que la taille des champs réceptifs au toucher diffère considérablement entre les zones peu innervées, comme la peau du tronc étudiée par le groupe de Johns Hopkins, et celles qui sont densément innervées, comme le visage et le bout des doigts. Dans les zones avec une résolution plus fine des stimuli tactiles, telles que les membres distaux et le visage, les tonnelles doivent avoir des territoires plus petits et/ou avoir des terminaisons plus denses. De plus, comme la majorité des neurones décrits ici innervent les follicules pileux, la peau glabre des mains et des pieds doit nécessairement avoir des terminaisons et des tonnelles différemment structurées.

Il est remarquable que dans les régions brachiale et lombaire, le champ récepteur d'un seul ganglion de la racine dorsale puisse englober une zone continue de peau du milieu du dos aux extrémités des doigts (Takahashi et al., 2003). Un seul ganglion de la racine dorsale doit donc contenir au moins trois classes fondamentales de neurones sensoriels, avec une diversité morphologique et fonctionnelle remarquable exprimée dans chaque classe. L'étude de Johns Hopkins n'est qu'un "premier passage" à une description systématique de cette diversité, il est donc possible qu'une gamme vraiment remarquable de formes et de fonctions neuronales soit finalement trouvée dans un seul ganglion sensoriel qui ne contient que quelques milliers de neurones.


Guérison de la cécité à l'horizon après une perte de vision complètement restaurée chez des souris atteintes de glaucome

BOSTON, Massachusetts — Un remède contre la cécité pourrait être à l'horizon après qu'une équipe de la Harvard Medical School a signalé qu'elle avait réussi à restaurer la perte de vision due au glaucome chez la souris.

Les scientifiques ont réussi l'exploit en faisant reculer les horloges des cellules oculaires à l'aide d'un cocktail de protéines. C'est la première fois qu'un tissu complexe est « reprogrammé » à un âge plus précoce. Les essais cliniques devraient commencer dans les deux prochaines années. La technique révolutionnaire devrait fonctionner aussi bien chez l'homme et pourrait également vaincre d'autres maladies neurologiques, notamment la démence.

Les chercheurs ajoutent que cette nouvelle étude apporte un éclairage nouveau sur les mécanismes derrière le vieillissement, indiquant une cible thérapeutique pour une multitude de conditions.

"Notre étude démontre qu'il est possible d'inverser en toute sécurité l'âge de tissus complexes tels que la rétine et de restaurer sa fonction biologique de jeunesse", a déclaré l'auteur principal, le professeur David Sinclair, dans un communiqué universitaire.

Selon les Centers for Disease Control and Prevention, plus de quatre millions de personnes de plus de 40 ans sont légalement aveugles ou malvoyantes aux États-Unis. L'équipe de Harvard a utilisé un virus inoffensif pour introduire trois gènes dans la rétine de rongeurs de laboratoire atteints de glaucome - la cause la plus fréquente de cécité humaine.

« Les résultats pourraient être transformateurs pour les maladies de la vision comme le glaucome »

Appelées Oct4, Sox2 et Klf4, ces protéines sont des facteurs de transcription activés au cours du développement embryonnaire. Les chercheurs disent que la procédure a également bien fonctionné chez les souris âgées dont la vue diminue en raison du vieillissement normal.

Par la suite, les modèles d'expression génique et les signaux électriques des cellules sont revenus à un état similaire à celui des jeunes souris, y compris une vision améliorée. Les auteurs de l'étude expliquent que leur technique pourrait en fait guérir les nerfs optiques endommagés chez les souris atteintes de glaucome.

Bien qu'elles résident dans les yeux et techniquement à l'extérieur du crâne, les cellules ganglionnaires rétiniennes (CGR) sont des neurones du cerveau. L'équipe pense que leur approche peut également fonctionner pour restaurer d'autres organes.

« Si elles sont confirmées par d'autres études, ces découvertes pourraient être transformatrices pour les soins des maladies de la vue liées à l'âge comme le glaucome et pour les domaines de la biologie et de la thérapeutique médicale pour les maladies en général », explique le professeur Sinclair.

L'étude se concentre sur l'horloge épigénétique, l'équivalent vieillissant de l'horloge biologique. Il dit aux gènes de s'allumer ou de s'éteindre. On pense que les changements qui y sont apportés, que ce soit par notre ADN ou par l'environnement, provoquent un dysfonctionnement des cellules et déclenchent des maladies liées à l'âge.

L'un des processus génétiques les plus importants est la méthylation. La méthylation de l'ADN peut empêcher certains gènes de s'exprimer. Cela, par exemple, peut empêcher les gènes responsables des tumeurs de s'activer et de provoquer des maladies comme le cancer.

Dans le même temps, les gènes qui devraient être activés sont désactivés et vice versa, ce qui entraîne une altération de la fonction cellulaire. Au fil du temps, la méthylation fait également perdre à l'ADN ses motifs plus jeunes.

Comme avoir de nouveaux yeux

Les travaux antérieurs ont réalisé l'exploit dans des cellules cultivées dans des boîtes de laboratoire, mais n'ont pas réussi à démontrer l'effet dans les organismes vivants. Le professeur Sinclair et son équipe ont ciblé les cellules du système nerveux central, car c'est le premier endroit du corps affecté par le vieillissement. Après la naissance, sa capacité à se régénérer diminue rapidement. Les résultats révèlent que le traitement a doublé le nombre de cellules survivantes après une lésion du nerf optique et a augmenté la repousse cinq fois.

"Au début de ce projet, beaucoup de nos collègues ont déclaré que notre approche échouerait ou serait trop dangereuse pour être utilisée", explique l'auteur de l'étude, le Dr Yuancheng Lu. "Nos résultats suggèrent que cette méthode est sûre et pourrait potentiellement révolutionner le traitement de l'œil et de nombreux autres organes affectés par le vieillissement."

Chez les souris atteintes de glaucome, il a stimulé l'activité électrique des cellules nerveuses et amélioré la vue. Ils pouvaient mieux voir les lignes verticales en mouvement sur un écran, même après que la perte de vision se soit déjà produite.

« La récupération de la fonction visuelle après la blessure a rarement été démontrée par les scientifiques », ajoute le co-auteur, le professeur Bruce Ksander. « Cette nouvelle approche, qui permet de renverser avec succès plusieurs causes de perte de vision chez la souris sans avoir besoin d'une greffe de rétine, représente une nouvelle modalité de traitement en médecine régénérative. »

Le traitement pourrait aussi aider les personnes âgées

Le traitement a tout aussi bien fonctionné chez des souris de 12 mois dont la vision diminuait en raison du vieillissement normal. Ces souris sont l'équivalent d'une personne dans la soixantaine. Une analyse des changements moléculaires dans les cellules traitées a identifié des modèles inversés de méthylation de l'ADN, suggérant qu'il s'agit d'un facteur déterminant du vieillissement.

"Ce que cela nous dit, c'est que l'horloge ne représente pas seulement le temps, c'est le temps", conclut Sinclair. “Si vous remontez les aiguilles de l'horloge, le temps recule également.”

L'équipe décrit les résultats jusqu'à présent comme "encourageants". Le traitement corporel complet des souris avec la procédure à trois gènes n'a produit aucun effet secondaire négatif après un an de tests.


Recherche sonore

Du stéthoscope original, inventé il y a plus de 200 ans, au gazouillis fugace des ondes gravitationnelles, le son a résonné tout au long de l'histoire des progrès technologiques et scientifiques.

Illustration de David Plunkert

Aujourd'hui, le rôle du son dans la science s'étend au-delà de la gamme des fréquences audibles : les ultrasons et autres ondes acoustiques silencieuses ont fait leur chemin dans le répertoire des chercheurs, les aidant à repousser les limites de la médecine et de la recherche conventionnelles.

Dans des exemples de quatre laboratoires de Stanford, les scientifiques étudient le spectre complet, exploitant les nuances du bruit et la puissance de l'acoustique pour générer des technologies inventives, voire inattendues, qui montrent à quel point la combinaison du son et de la science peut être puissante.

Tourner l'ennuyeux dans l'avantage

Rien ne provoque l'irritation de la même manière qu'un moustique tapi. Mais son drone aigu peut en fait aider à freiner les pics de populations de moustiques et, plus important encore, les maladies qu'ils transmettent aux humains. C'est du moins la prémisse derrière la nouvelle application de Manu Prakash, Abuzz.

Prakash, PhD, professeur adjoint de bio-ingénierie, a créé Abuzz pour identifier et marquer numériquement les espèces de moustiques en fonction de leur bourdonnement. Sa vision : créer un « paysage sonore » qui cartographie les allées et venues de ces vecteurs voraces dans le monde et fournit des détails sur les maladies qu'ils peuvent véhiculer : le Zika, le paludisme, la dengue, etc. Cela peut sembler élevé, mais Prakash affirme que tout ce dont il a besoin, c'est d'une base d'utilisateurs avides ayant accès aux téléphones portables (les téléphones « idiots » comme un téléphone à clapet font la coupe).

"Notre objectif est de mettre les données entre les mains des habitants et des organisations de santé publique qui se concentrent sur l'élimination des maladies des moustiques", a déclaré Prakash. "Nous voulons que cela fournisse des détails sur l'écologie des moustiques - les espèces, les maladies associées, l'emplacement de l'enregistrement - afin qu'il puisse être un système mondial de sensibilisation et d'alerte pour les moustiques porteurs de maladies."

Naturellement, remplir une telle carte prendra du temps, et beaucoup d'utilisateurs. Alors, comment collecter autant de données dans les coins les plus reculés du globe ? Le recrutement et une simple session de formation, explique Prakash, qui se compose de quatre étapes de base : s'aventurer, ramper jusqu'à un moustique (ou le laisser ramper jusqu'à vous), enregistrer son bourdonnement aigu et envoyer les données à Abuzz pour analyse.

Abuzz - l'application Shazam du monde des insectes - utilise un logiciel pour déterminer si le bruit enregistré est vraiment un moustique, pas une mouche domestique, un jet lointain ou un autre imposteur. Ensuite, il compare l'enregistrement avec une base de données de différents bourdonnements de moustiques et essaie de trouver une correspondance. Ceci est possible car chaque espèce de moustique émet un son unique, généré par le battement de ses ailes.

Idéalement, connaître les régions géographiques où des espèces de moustiques spécifiques sont enregistrées peut aider à lutter contre la multiplication indésirable. "Les habitants pourraient rechercher dans leur quartier des zones de frai probables pour les moustiques et éliminer les larves", suggère Prakash.

Ou, à plus grande échelle, les agences qui tentent d'entraver les populations en libérant des moustiques génétiquement modifiés pourraient utiliser les informations pour cibler plus précisément les régions et les espèces. (Lâcher une armée de moustiques dans l'éther peut sembler plutôt ignoble, mais les modifications génétiques chez ces moustiques rendent leur progéniture non viable, aidant à réduire une population en escalade.)

"Ce qui est beau avec Abuzz, c'est qu'il ne se limite pas aux moustiques", explique Prakash. « En ce moment, nous cherchons à savoir si nous pouvons utiliser cette méthode pour identifier les abeilles malades par rapport aux abeilles en bonne santé. » Ils n'ont pas la réponse, mais alors que la santé des abeilles mellifères aux États-Unis continue de décliner, Prakash et son équipe espèrent que leur plate-forme pourra aider à révéler la biologie derrière plus d'un insecte volant.


La neuroscience de la douleur

Par un matin brumeux de février à Oxford, en Angleterre, je suis arrivé à l'hôpital John Radcliffe, un complexe semblable à un navire des années 70 amarré sur une colline à l'est du centre-ville, dans le but exprès d'être blessé. J'avais rendez-vous avec une scientifique du nom d'Irene Tracey, une femme dynamique d'une cinquantaine d'années qui dirige le Nuffield Department of Clinical Neurosciences de l'Université d'Oxford et est devenue la reine de la douleur. « Nous pourrions avoir un problème avec le fait que vous soyez roux », a-t-elle averti lors de notre rencontre. Les rousses perçoivent généralement la douleur différemment de celles qui ont d'autres couleurs de cheveux, beaucoup hésitent également à l'utilisation du mot-G. "Je suis désolée, une belle auburn", a-t-elle rapidement déclaré, tandis qu'un doctorant utilisait une règle et un Sharpie violet pour dessiner le contour d'un carré d'un pouce sur mon tibia droit.

Portant des gants en caoutchouc épais, l'étudiant a pressé une cuillerée de crème orange pâle au centre du carré et l'a délicatement étalée sur les bords, comme pour glacer un gâteau. La crème contenait de la capsaïcine, le produit chimique responsable de la brûlure des piments. "Nous aimons la capsaïcine", a déclaré Tracey. « Il fait deux choses vraiment sympas : il monte progressivement en puissance pour devenir assez intense, et il active des récepteurs dans votre peau que nous connaissons bien. » Ainsi oint, j'ai signé mes formulaires de non-responsabilité et j'ai été attaché au lit de balayage d'un appareil d'imagerie par résonance magnétique (IRM).

L'appareil était une IRM 7 Tesla, dont il existe moins d'une centaine dans le monde. Le champ magnétique qu'il génère (les teslas sont une unité de force magnétique) est plus de quatre fois plus puissant que celui d'un appareil d'IRM hospitalier moyen, ce qui donne des images beaucoup plus détaillées. Alors que les unités cryogéniques responsables du refroidissement de l'aimant supraconducteur de la machine s'allumaient et se désactivaient à un rythme syncopé, le technicien en imagerie m'a averti qu'une fois qu'il m'aurait glissé à l'intérieur, je pourrais avoir des vertiges, voir des lumières clignotantes ou ressentir un goût métallique dans ma bouche . "J'ai toujours l'impression de tourner un coin", a déclaré Tracey. Elle a expliqué que le champ magnétique attirerait instantanément le proton dans chacun des octillions d'atomes d'hydrogène dans mon corps en alignement. Puis elle a disparu dans une salle de contrôle, où une banque d'écrans lui permettrait de regarder mon cerveau ressentir la douleur.

Au cours des deux heures qui ont suivi, j'ai eu des aiguilles à plusieurs reprises enfoncées dans ma cheville et la partie charnue de mon mollet. Une bouillotte appliquée sur mon patch de capsaïcine m'a infligé l'équivalent perceptuel d'une brûlure au troisième degré, après quoi un pack de refroidissement placé au même endroit a apporté un soulagement provoquant des déchirures. Chaque fois que Tracey et son équipe se préparaient à observer une nouvelle tranche de mon cerveau, la machine émettait un bip et un petit écran devant mon visage affichait le mot « Prêt » en lettres blanches sur fond noir. Après chaque agression, on me demandait d'évaluer ma douleur sur une échelle de 0 à 10.

Au départ, je craignais de laisser tomber l'équipe. Le patch de capsaïcine picotait à peine, et j'ai marqué le premier tour de piqûres comme un 3, plus par espoir que par conviction. Je n'avais pas besoin de m'inquiéter. Le patch a commencé à démanger, puis à brûler. Au moment où la bouillotte a été placée dessus, environ une heure plus tard, j'étais sûrement à 8. La prochaine série de piqûres d'épingle avait l'impression d'être transpercée avec une brochette en métal chaud.

"Vous êtes un bon répondeur", m'a dit Tracey, se frottant les mains, quand j'ai émergé, hébété. "Et tu as un beau cerveau dodu, tous mes post-doctorants veulent t'inscrire." Lorsque mes données ont été envoyées pour analyse, elle a pressé un grand cappuccino dans mes mains et a doucement retiré la capsaïcine avec une lingette imbibée d'alcool.

Tracey n'avait pas besoin de me demander comment ça s'était passé. Le logiciel d'analyse d'imagerie, conçu dans son département et maintenant utilisé dans le monde entier, utilise une échelle de couleurs allant du froid au chaud, avec des pixels tridimensionnels codés du bleu au rouge au jaune, selon le niveau d'activité neuronale dans un Région. Tracey a analysé des milliers de ces « cartes de taches », comme elle les appelle, des analyses produites à l'aide d'une technique appelée imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). En regardant une succession de méduses orange ardent s'enflammer dans mon crâne, elle avait vu ma douleur augmenter et diminuer, ses contours se déplaçant alors qu'un léger inconfort devenait une agonie presque insupportable.

Pour les scientifiques, la douleur a longtemps présenté un problème insoluble : c'est un processus physiologique, tout comme la respiration ou la digestion, et pourtant c'est intrinsèquement, obstinément subjectif – vous seul ressentez votre douleur. C'est aussi une expérience notoirement difficile à transmettre avec précision aux autres. Virginia Woolf a déploré le fait que «la plus simple des écolières, lorsqu'elle tombe amoureuse, a Shakespeare ou Keats pour dire ce qu'elle pense, mais laisse une victime essayer de décrire une douleur dans la tête à un médecin et la langue s'assèche immédiatement.» Elaine Scarry, dans le livre de 1985 « The Body in Pain », a écrit : « La douleur physique ne résiste pas simplement au langage, mais le détruit activement. »

La profession médicale, elle aussi, s'est souvent déclarée frustrée par l'indescriptibilité de la douleur. « Ce serait une grande chose de comprendre la douleur dans toutes ses significations », écrivit Peter Mere Latham, médecin extraordinaire de la reine Victoria, avant de conclure avec désespoir : « Les choses que tous les hommes connaissent infailliblement par leur propre expérience perceptive, ne peuvent être rendues plus claires par mots. Par conséquent, que la douleur soit simplement appelée douleur.

Mais, au cours des deux dernières décennies, un petit nombre de scientifiques ont commencé à trouver des moyens de capturer l'expérience dans des données quantifiables et objectives, et Tracey est devenue une figure formidable dans le domaine. En scannant plusieurs milliers de personnes, en bonne santé et malades, tout en les soumettant à des brûlures, des coups, des aiguillons et des chocs électriques, elle a mis au point des méthodes expérimentales pour étudier le paysage neuronal de la douleur. Au cours des dernières années, son travail est passé de l'étude de la douleur «normale» - l'expérience quotidienne et passagère d'un orteil écrasé ou d'une langue brûlée - au domaine de la douleur chronique. Ses découvertes ont déjà changé notre compréhension de la douleur, maintenant elles promettent de transformer son diagnostic et son traitement, un changement dont les effets se feront sentir dans les hôpitaux, les salles d'audience et la société en général.

L'histoire de la recherche sur la douleur est pleine de tentatives ingénieuses et largement infructueuses pour mesurer la douleur. Le médecin français du XIXe siècle Marc Colombat de l'Isère a évalué la hauteur et le rythme des cris de souffrance. Dans les années quarante, les médecins de l'Université Cornell utilisaient un instrument émettant de la chaleur appelé « dolorimètre » pour appliquer des incréments précis de douleur au front. En notant chaque fois qu'une personne percevait une augmentation ou une diminution de la sensation, elle arrivait à une échelle de douleur calibrée par incréments de "dols", dont chacun était une "différence juste perceptible" par rapport aux dols adjacents. L'année dernière, les scientifiques du M.I.T. développé un algorithme appelé DeepFaceASCENSEUR, qui tente de prédire les scores de douleur en fonction des expressions faciales.

Les outils les plus largement adoptés reposent sur les témoignages subjectifs des malades. Dans les années cinquante, un psychologue canadien du nom de Ronald Melzack a traité « une femme espiègle et charmante d'environ soixante-dix ans » qui souffrait de diabète et dont les deux jambes ont été amputées. Elle était tourmentée par la douleur des membres fantômes, et Melzack a été frappé par son ingéniosité linguistique pour la décrire. Il a commencé à rassembler les mots qu'elle et d'autres patients utilisaient le plus fréquemment, en organisant ce vocabulaire en catégories, dans le but de saisir les dimensions temporelles, sensorielles et affectives de la douleur, ainsi que son intensité. Le résultat, publié deux décennies plus tard, était le McGill Pain Questionnaire, une échelle comprenant quelque quatre-vingts descripteurs : « coup de couteau », « ronger », « radier », « tirer », et ainsi de suite. Le questionnaire est encore très utilisé, mais il y a eu peu d'enquêtes sur son efficacité en milieu clinique, et il est facile de voir comment le « agonisant » d'une personne pourrait être le « misérable » d'une autre personne. De plus, une étude de la sociologue Cassandra Crawford a révélé qu'après la publication du questionnaire, les descriptions cliniques de la douleur des membres fantômes ont radicalement changé, ce qui implique que le dispositif d'évaluation informait, dans une certaine mesure, des sensations qu'il était censé mesurer.

Pendant ce temps, comme l'a montré l'historienne Joanna Bourke, dans son livre « The Story of Pain », les tentatives de traduction du McGill Pain Questionnaire dans d'autres langues ont révélé à quel point le contexte culturel façonne le langage, qui, à son tour, façonne la perception. Au milieu du siècle à Montréal, le diabétique bavard de Melzack aurait pu décrire une migraine comme lacérant ou palpitant, mais les Sakhalin Ainu évaluaient traditionnellement l'intensité des maux de tête battants en fonction de l'animal dont ils ressemblaient le plus aux pas : un mal de tête d'ours était pire qu'un musc. mal de tête de cerf. (Si un mal de tête était accompagné d'un frisson, il était décrit par analogie avec les créatures marines.)

"J'ai l'impression d'avoir toute cette colère à l'intérieur mais personne de spécial avec qui la partager."

L'outil de loin le plus couramment utilisé aujourd'hui pour mesurer la douleur est celui que j'ai utilisé dans le scanner : l'échelle numérique de 0 à 10. Son ancêtre rudimentaire a été introduit en 1948, par Kenneth Keele, un cardiologue britannique, qui a demandé à ses patients de choisir un score entre 0 (pas de douleur) et 3 (douleur « sévère »). Au fil des ans, l'échelle s'est étendue à 10, afin de s'adapter à plus de gradations de sensation. Dans certains contextes, les patients, plutôt que de choisir un numéro, placent une marque sur une ligne de dix centimètres, qui est parfois ornée de visages gais et grimaçants.

En 2000, le Congrès a déclaré les dix prochaines années la « Décennie du contrôle de la douleur et de la recherche », après que la Cour suprême, rejetant l'idée du suicide médicalement assisté en tant que droit constitutionnel, ait recommandé des améliorations dans les soins palliatifs. La douleur a été déclarée « le cinquième signe vital » (avec la pression artérielle, le pouls, la fréquence respiratoire et la température), et la notation numérique de la douleur est devenue une caractéristique standard des dossiers médicaux, des codes de facturation et des guides de bonnes pratiques des États-Unis.

Mais les échelles numériques sont loin d'être satisfaisantes. Dans l'appareil d'IRM de Tracey, ma brûlure au troisième degré était de cinq points plus intense que les piqûres initiales, mais n'était-ce vraiment que deux points de moins que le pire que je puisse imaginer ? Sûrement pas, mais n'ayant jamais accouché, n'ayant jamais subi de fracture, ni subi d'opération chirurgicale sérieuse, comment le savoir ?

La nature autodéclarée des scores de douleur conduit inévitablement à une remise en cause de leur exactitude. "Avoir une grande douleur, c'est avoir la certitude", a écrit Elaine Scarry. "Entendre qu'une autre personne souffre, c'est avoir le doute." Ce doute ouvre la porte aux stéréotypes et aux préjugés. L'édition 2014 du manuel "Nursing: A Concept-Based Approach to Learning" a averti les praticiens que les Amérindiens "peuvent choisir un nombre sacré lorsqu'on leur demande d'évaluer la douleur" et que la validité des auto-évaluations sera probablement affectée par le fait que le peuple juif « croit que la douleur doit être partagée » et que les noirs « croient que la souffrance et la douleur sont inévitables ». L'année dernière, l'éditeur du livre, Pearson, a annoncé qu'il supprimerait le passage incriminé des éditions futures, mais les biais restent courants et étude après étude a montré des disparités choquantes dans le traitement de la douleur. Un article de 2016 a noté que les patients noirs sont nettement moins susceptibles que les patients blancs de se voir prescrire des médicaments pour le même niveau de douleur signalée, et ils reçoivent des doses plus faibles. Un groupe de chercheurs de l'Université de Pennsylvanie a découvert que les femmes sont jusqu'à 25 % moins susceptibles que les hommes de recevoir des opioïdes contre la douleur.

De plus, une fois que l'évaluation de la douleur est devenue une caractéristique standard de la pratique médicale américaine, les médecins se sont retrouvés confrontés à une apparente épidémie d'agonie non signalée auparavant. En réponse, ils ont commencé à distribuer des opioïdes tels que l'OxyContin. Entre 1997 et 2010, le nombre de fois que le médicament a été prescrit chaque année a augmenté de plus de huit cents pour cent, pour atteindre 6,2 millions. Les résultats désastreux en termes d'addiction et d'abus sont bien connus.

Sans mesure fiable de la douleur, les médecins sont incapables de standardiser le traitement ou d'évaluer avec précision le succès d'un traitement. And, without a means by which to compare and quantify the dimensions of the phenomenon, pain itself has remained mysterious. The problem is circular: when I asked Tracey why pain has remained so resistant to objective description, she explained that its biology is poorly understood. Other basic sensory perceptions—touch, taste, sight, smell, hearing—have been traced to particular areas of the brain. “We don’t have that for pain,” she said. “We still don’t know exactly how the brain constructs this experience that you absolutely, unarguably know hurts.”

Irene Tracey has lived in Oxford almost all her life. She was born at the old Radcliffe Infirmary, went to a local state school, and studied biochemistry at the university. Her husband, Myles Allen, is an Oxford professor, too, in charge of the world’s largest climate-modelling experiment, and they live in North Oxford, in a semidetached house comfortably cluttered with their children’s sports gear and schoolwork. In 1990, Tracey embarked on her doctorate at Oxford, using MRI technology to study muscle and brain damage in patients with Duchenne muscular dystrophy. At the time, the fMRI technique that she used to map my brain in action was just being developed. The technique tracks neural activity by measuring local changes associated with the flow of blood as it carries oxygen through the brain. A busy neuron requires more oxygen, and, because oxygenated and deoxygenated blood have different magnetic properties, neural activity creates a detectable disturbance in the magnetic field of an MRI scanner.

In 1991, a team at Massachusetts General Hospital, in Boston, showed its first, grainy video of a human visual cortex “lighting up” as the cortex turned impulses from the optic nerve into images. Captivated, Tracey applied for a postdoctoral fellowship at M.G.H., and began working there in 1994, using the MRI whenever she could. When Allen, at that time her boyfriend, visited from England one Valentine’s Day, she cancelled a trip they’d planned to New York to take advantage of an unexpected open slot on the scanner. Allen spent the evening lying inside the machine, bundled up to keep warm, while she gazed into his brain. He told me that he had intended to propose to Tracey that day, but saved the ring for another time.

It was toward the end of her fellowship in Boston that Tracey first began thinking seriously about pain. Playing field hockey in her teens, she’d had her first experience of severe pain—a knee injury that required surgery—but it was a chance conversation with colleagues in a pain clinic that sparked her scientific interest. “It was just one of those serendipitous conversations that you find yourself in, where this whole area is opened up to you,” she told me. “It was, like, ‘God, this is everything I’ve been looking for. It’s got clinical application, interesting philosophy, and we know absolutely nothing.’ I thought, Right, that’s it, pain is going to be my thing.”

By then, Tracey had been recruited to return home and help found the Oxford Centre for Functional Magnetic Resonance Imaging of the Brain. Scientists had already largely given up on the idea of finding a single pain cortex: in the handful of fMRI papers that had been published describing brain activity when a person was burned or pricked with needles, the scans seemed to show that pain involved significant activity in many parts of the brain, rather than in a single pocket, as with hearing or sight. Tracey’s plan was to design a series of experiments that picked apart this larger pattern of activity, isolating different aspects of pain in order to understand exactly what each region was contributing to the over-all sensation.

In 1998, while her lab was being built, she took her first doctoral student, a Rhodes Scholar named Alexander Ploghaus, to Canada, their scientific equipment packed in their suitcases, to use a collaborator’s MRI machine for a week. Their subjects were a group of college students, including several ice-hockey players, who kept bragging about how much pain they could take. While each student was in the scanner, Tracey and Ploghaus used a homemade heating element to apply either burns or pleasant heat to the back of the left hand, as red, green, and blue lights flashed on and off. The lights came on in a seemingly random sequence, but gradually the subjects realized that one color always presaged pain and another was always followed by comfortable warmth. The resulting scans were striking. Throughout the experiment, the subjects’ brain-activity patterns remained consistent during moments of pain, but, as they figured out the rules of the game, the ominous light began triggering more and more blood flow to a couple of regions—the anterior insula and the prefrontal cortices. These areas, Tracey and Ploghaus concluded, must be responsible for the anticipation of pain.

Showing that the experience of pain could be created in part by anticipation, rather than by actual sensation, was the first experimental step in breaking the phenomenon down into its constituent elements. “Rather than just seeing that all these blobs are active because it hurts, we wanted to understand, What bit of the hurt are they underpinning?” Tracey said. “Is it the localization, is it the intensity, is it the anticipation or the anxiety?” During the next decade, she designed experiments that revealed the roles played by various brain regions in modulating the experience of pain. She took behavioral researchers’ finding that distraction reduces the perception of pain—as when a doctor tells a child to count backward from ten while receiving an injection—and made it the basis of an experiment that showed that concentrating on a numerical task suppressed activity in several regions that normally light up during pain. She examined the effects of depression on pain perception—people suffering from depression commonly report feeling more pain than other people do from the same stimulus—and demonstrated that this, too, could change the distribution and the magnitude of neural activity.

One of her most striking experiments tested the common observation that religious faith helps people cope with pain. Comparing the neurological responses of devout Catholics with those of atheists, she found that the two groups had similar baseline experiences of pain, but that, if the subjects were shown a picture of the Virgin Mary (by Sassoferrato, an Italian Baroque painter) while the pain was administered, the believers rated their discomfort nearly a point lower than the atheists did. When the volunteers were shown a secular painting (Leonardo da Vinci’s “Lady with an Ermine”), the two groups’ responses were the same. The implications are potentially far-reaching, and not only because they suggest that cultural attitudes may have a neurological imprint. If faith engages a neural mechanism with analgesic benefits—the Catholics showed heightened activity in an area usually associated with the ability to override a physical response—it may be possible to find other, secular ways to engage that circuit.

Tracey’s research had begun to explain why people experience the same pain differently and why the same pain can seem worse to a single individual from one day to the next. Many of her findings simply reinforced existing psychological practices and common sense, but her scientific proof had clinical value. “Countless people who work in cognitive behavioral therapy come up at the end of talks or write to me,” Tracey told me. “They say how helpful it has been to empower their education of the patient by saying that, if you’re more anxious about your pain, or more sad, look, here’s a picture telling you it gets worse.”

These early experiments repeatedly demonstrated that pain is neurologically complex, involving responses generated throughout the brain. Nonetheless, by identifying regions that control ancillary factors, such as anticipation, Tracey and her team were gradually able to zero in on the regions that are most fundamental. In 2007, Tracey published a survey of existing research and identified what she called “the cerebral signature of pain”—the distinctive patterns produced by a set of brain regions that reliably act in concert during a painful experience. Some of these regions are large, and accommodate many different functions. None are specific to pain. But, as we stared at the orange blobs of an fMRI scan on her laptop screen, Tracey rattled off the names of half a dozen areas of the brain and concluded, “With a decent poke, you’d activate all of that.”

In 2013, Tor Wager, a neuroscientist at the University of Colorado, Boulder, took the logical next step by creating an algorithm that could recognize pain’s distinctive patterns today, it can pick out brains in pain with more than ninety-five-per-cent accuracy. When the algorithm is asked to sort activation maps by apparent intensity, its ranking matches participants’ subjective pain ratings. By analyzing neural activity, it can tell not just whether someone is in pain but also how intense the experience is. “What’s remarkable is that basic pain signals seem to look pretty much the same across a wide variety of people,” Wager said. “But, within that, different brain systems are more, or less, significant, depending on the individual.”

Among the brain’s many pain-producing patterns, however, there is only one region that is consistently active at a high level: the dorsal posterior region of the insula. Using a new imaging technique, Tracey and one of her postdoctoral fellows, Andrew Segerdahl, recently discovered that the intensity of a prolonged painful experience corresponds precisely with variations in the blood flow to this particular area of the brain. In other words, activity in this area provides, at last, a biological benchmark for agony. Tracey described the insula, an elongated ridge nestled deep within the Sylvian fissure, with affection. “It’s just this lovely island of cortex hidden in the middle, deep in your brain,” she said. “And it’s got all these amazing different functions. When you say, ‘Actually, I feel a bit cold, I need to put a sweater on,’ what’s driving you to do that? Probably this bit.”

The importance of the dorsal posterior insula had previously been highlighted in a somewhat horrifying experiment conducted by Laure Mazzola, a neurologist at the Lyon Neuroscience Research Center, in France. It is common for surgeons treating patients with drug-resistant epilepsy to disable the portions of the brain in which the seizures are occurring. Before surgery, neurologists often stimulate the area and its surroundings with an electrical probe, to make sure they’re on target. Taking advantage of this opportunity, Mazzola stimulated various parts of the posterior insula in pre-surgical patients and recorded their responses. When she reached the dorsal region, Tracey told me, the patients “were leaping off the bed.” The presence of a probe in the brain shouldn’t in itself hurt, because there are no pain receptors there. Yet activating this area was apparently enough to create a brutally convincing synthetic pain.

The day after my fMRI scan, Tracey took me to her department’s Clinical Pain Testing lab, a room that she refers to as her “torture chamber.” A red illuminated sign blinked “Do Not Enter,” and Tracey removed a retractable belt blocking the door. Inside were all the devices that she and her team use to hurt people scientifically. As I reclined in a blue dentist-style chair under the room’s lone fluorescent light, she and a couple of her colleagues burned the back of my hand with a laser. Someone pressed a device about the size of a camera’s memory card against my forearm. It was rippled with heating elements, which were covered with a thin layer of gold foil to conduct the heat to the skin. “We can raise the temperature by thirty degrees in under a second,” Tracey said.

Each of the methods has a particular use. Lasers and electrodes can deliver precise increments of pain in experiments requiring a quick transition between different levels of stimulation. Capsaicin, because it sensitizes the central nervous system, is best for simulating chronic pain. Inflatable rectal balloons mimic the distinctive pain caused by damage to internal organs. All of them have been designed with the aim of reliably producing in laboratory conditions sensations that hurt enough to mirror real life but don’t cause lasting harm, which would be unethical. A scientist hoping to gather publishable data can’t just hit someone with a hammer and hope that each blow is as hard as the last one, even if an institutional ethics committee would permit such a thing.

Tracey has developed protocols to inflict the maximum amount of pain with the minimum amount of tissue damage. Using psychological tricks and carefully choreographed shifts in intensity, she has also devised ways of heightening a subject’s perception of pain. At the same time, research identifying the regions most crucial to the experience of pain has inadvertently pointed the way to the creation of artificial pain purely through targeted neurostimulation. It does not take much imagination to discern the potential for misuse of this kind of knowledge. For this reason, the International Association for the Study of Pain (I.A.S.P.) has a code of ethics, and its members are pledged not to inflict or increase pain except in an experimental setting.

A more nuanced ethical issue involves the potential use of neuroimaging as a sort of lie detector—to expose malingerers or increase payouts in injury-compensation suits. “Pain is enormously important in law,” Henry Greely, the director of the Center for Law and the Biosciences, at Stanford University, told me. “It’s the subject of hundreds of thousands of legal disputes every year in the United States.” Many are personal-injury cases others involve Social Security and private-insurance disability. Greely pointed out that the lack of an objective test for pain means not only that people who deserve compensation miss out (and vice versa) but also that millions of billable hours are spent on these suits. With an agreed-upon empirical metric for pain, he estimates, the vast majority of cases would be settled rather than litigated.


NATIONAL RESEARCH COUNCIL COMMITTEE ON DRUG ADDICTION

At the close of the 1920s, the Bureau of Social Hygiene decided to transfer its support of research to the National Research Council (NRC), where it was hoped greater central direction could be achieved. In 1929, the Committee on Drug Addiction was established by the NRC's Chair of the Medical Sciences Division (May and Jacobson, 1989). Its members included medical school researchers and key government scientists and administrators, including the head of the Federal Bureau of Narcotics, H. J. Anslinger. Their first task was to decide the direction of research, and their reasoning is quite instructive as to the state of research around 1930. The committee considered that further sociological studies were unlikely to help the drug situation. Given its resources, the committee felt that one drug should be targeted. Cocaine was considered but was dropped because it was no longer much of an abuse problem. Codeine appeared to be less addictive, thus posing less danger, so morphine was chosen as the target of this new research effort.

The goal of studying morphine was to find substitutes that were not habit forming. Scientists were well aware that they worked in a framework of law and policy that precluded maintenance and in an atmosphere of extreme antagonism to narcotic drugs. In addition to seeking safe substitutes, the NRC committee approved three more tasks: (1) synopses of the literature on morphine and other addictive drugs were to be prepared (2) based on the literature search, rules and regulations governing the legitimate use of morphine and other habit-forming drugs were to be established and (3) a determination of where gaps existed in biological knowledge was to be made.

The committee proceeded to attack the problem by working in three Settings𠅌hemical laboratories that would create possible substitutes, a pharmacology lab where these would be tested, and a clinical setting in which human subjects could be studied. New substances for trial were created first at Yale and then at Dr. L.F. Small's laboratory at the University of Virginia. The substances were then sent to a new pharmacology unit at the University of Michigan headed by Dr. Nathan Eddy, where they were tested on laboratory animals.

Clinical facilities were meager until the "narcotic farms" opened in Lexington, Kentucky, in 1935 and Ft. Worth, Texas, in 1938. These institutions, dubbed farms by the sponsor of the legislation that established them, Representative Stephen G. Porter of Pennsylvania, were in fact special prisons for drug addicts, complete with cells and bars. They were officially under the control of the Treasury Department, which was charged with the enforcement of narcotic laws but were staffed by PHS officers. It was not until the late 1960s that the facility at Lexington became a true PHS hospital (Musto, 1987). Eventually the Addiction Research Center, under the leadership of C.K. Himmelsbach, was established at Lexington to determine the addictive liability of various compounds. Pharmacological research at the Lexington facility provided major contributions to the understanding of opiate and alcohol dependence and withdrawal, and included research on the quantification of opiate dependence as a physical or physiological phenomenon and on the effect of methadone on opiate withdrawal.

When it became apparent that the Rockefeller funding would not be continued, the chemical and pharmacological work was transferred to the PHS. At that time—in 1941𠅊 non-habit-forming analgesic to replace morphine had not been found. However, many drugs had been tested, and experts were hopeful that compounds with a more salutary balance of effects, although still habit forming, might be developed. Certainly, many of the pitfalls of drug testing had been recognized. Judged by today's sophisticated research, the methods were simple. Addiction liability was typically tested by substituting the test drug for a regular dose of morphine in a morphine-dependent person and observing the results. The relation of molecular composition to effect was considered but at a level that could not take into account the actual shape of the molecule or the site on which it acted. These early studies illustrate the limitations of knowledge at the molecular level, where pain relief and dependence actually occurs.


How To Apply

The application for the next year's session will be available from this web site starting November 1st, 2020. The "Apply" button at the top of this page will take you to the online application.

During the application process you will need to provide:
  1. Name and email address for at least one person (faculty member preferred) who will provide a letter of recommendation. Two letters of recommendation are allowed.
  2. Electronic version of your college transcript (scanned hard copies if electronic transcripts are not available) unofficial transcripts are acceptable.
  3. Three short personal essays (3900 character maximum per essay)
  • How would your participation in a summer research program at UW-Madison contribute to your future goals and career plans?
  • Which area(s) of research are of interest to you and why?
  • Although previous research experience is not required to be considered for participation in our summer program, please describe any past research experience. This may include research experiences as part of a course if you do not have any other research experiences.

Selection and laboratory placement of students will take place in January, February, and March. Applicants who are not placed will be notified by the end of April.


Concentrations

Biomedical engineering lies at the intersection of the physical and life sciences, incorporating principles from physics and chemistry to understand the operation of living systems. As in other engineering fields, the approach is highly quantitative: mathematical analysis and modeling are used to capture the function of systems from subcellular to organism scales. An education in Biomedical Engineering, and engineering more broadly, enables students to translate abstract hypotheses and scientific knowledge into working systems (e.g., prosthetic devices, imaging systems, and biopharmaceuticals). This enables one to both test the understanding of basic principles and to further this knowledge, and it places this understanding in the broader context of societal needs.

Chemical and Physical Biology (CPB)

The Chemical and Physical Biology (CPB) concentration emphasizes a quantitative approach to the life sciences that involves using tools, approaches and methodologies from mathematics, chemistry, and physics to study biology. It is ideally suited for students who are interested in applying the knowledge they gain in higher-level coursework work in mathematics, chemistry, and physics to current research in the Life Sciences.

Chemistry

Chemistry is both a basic science, fundamental to an understanding of the world we live in, and a practical science with an enormous number and variety of important applications. Knowledge of chemistry is fundamental to an understanding of biology and biochemistry and of certain aspects of geology, astronomy, physics, and engineering.

Cognitive Neuroscience & Evolutionary Psychology (CN&EP)

Cognitive Neuroscience & Evolutionary Psychology (CN&EP) is une of the specialized tracks within the Psychology concentration and part of the Life Sciences cluster of concentration options. As such, it is one of the major paths toward bridging the social and Life Sciences at Harvard. The track reflects the increasingly interdisciplinary nature of learning and research in psychology, emphasizing integration across the sub-disciplines within psychology (social psychology, cognitive psychology, developmental psychology, abnormal psychology) as well as connections between psychology and the other Life Sciences. Students in this track have the opportunity to study the interplay between traditional interests in psychology such as vision, memory, language, emotion, intergroup relations, and psychological disorders, and recent developments in neuroscience and evolutionary science.

Human Developmental and Regenerative Biology (HDRB)

Human Developmental and Regenerative Biology (HDRB) is a concentration that educates students on how human beings develop from a fertilized egg, are maintained and repaired throughout adulthood, and age till life’s end. Students receive a broad education in modern life sciences by studying important biological principles within the specific rubric of the developing and regenerating body. By including an explicit and heavy emphasis on hands-on research opportunities in all four undergraduate years, HDRB engages students with an interest in research and takes advantage of Harvard’s special strengths as a teaching college and research university.

Human Evolutionary Biology (HEB)

Evolutionary theory is a pillar of modern science and provides a powerful framework for investigating questions about why humans are the way they are. Human evolutionary biologists seek to understand how evolutionary forces have shaped our design, our physiology, and our patterns of behavior. Research in human evolutionary biology profoundly influences medical science and the practice of medicine, and also impacts economics, psychology, political science, religion and literature.

Integrative Biology (IB)/Organismic & Evolutionary Biology (OEB)

Integrative Biology (IB)/Organismic and Evolutionary Biology (OEB) takes as its guiding principle the maxim that "nothing makes sense in biology except in the light of evolution." Evolution is the strand that ties together all of biology: from the adaptive specifics of a membrane pore to grand events in the history of life, such as the Cambrian Explosion, when, 540 million years ago, life went in a single bound from simple to complex. IB is inherently inter-disciplinary, encompassing mathematical and computational biology, functional and genetic approaches to morphology and development, as well as genetics, evolution, and ecology.

Molecular and Cellular Biology (MCB)

Molecular and Cellular Biology (MCB) concentrators are interested in understanding the intersection of modern research in cellular biology with medicine and society. MCB is therefore ideally suited for students who wish to study cellular processes at the heart of both normal physiology and molecular medicine. It focuses on fundamental principles of modern biology at the hub of nearly all life science sub-disciplines, and integrates many different methodologies ranging from chemistry and genetics to computer science and engineering, as well as fundamental concepts in physics and mathematics.

Neuroscience

In Neuroscience (NEURO), students investigate the biological mechanisms that underlie behavior as well as how brains process information. We study the nervous system at every level: from the macroscopic (behavior and cognition) to the microscopic (cells and molecules). The NEURO concentration showcases the science of how the nervous system organizes behavior. Concentrators investigate phenomena on vastly different scales, from molecules to societies, and draw upon many of the classical disciplines for experimental tools and explanatory frameworks.

Consequently, the questions that neuroscientists ask are wide-ranging: how do electrical and molecular signals allow neurons to process and transmit information from the environment? What guides the development of the immense number of precise connections in the nervous system? How can the complex signals of many thousands of active neurons be recorded and interpreted? What causes the profound behavioral deficits in Alzheimers disease or Autism Spectrum Disorders?


Study upgrades one of the largest databases of neuronal types

An international collaboration between the Institute Cajal in CSIC (Spain) and George Mason University (USA) maps critical measurements of activity in vivo to more than 120 types of neurons from the brain region responsible for autobiographic memory

Spanish National Research Council (CSIC)

IMAGE: Inhibitory neuron (white) recorded and labeled in vivo, together with other inhibitory cell types (blue and yellow) view more

Credit: Elena Cid. Instituto Cajal (CSIC)

A study led by researchers from the Institute Cajal of Spanish Research Council (CSIC) in Madrid, Spain in collaboration with the Bioengineering Department of George Mason University in Virginia, USA has updated one of the world's largest databases on neuronal types, Hippocampome.org.

The study, which is published in the journal PLOS Biologie, represents the most comprehensive mapping performed to date between neural activity recoded in vivo and identified neuron types. This major breakthrough may enable biologically meaningful computer modeling of the full neuronal circuit of the hippocampus, a region of the brain involved in memory function.

Circuits of the mammalian cerebral cortex are made up of two types of neurons: excitatory neurons, which release a neurotransmitter called glutamate, and inhibitory neurons, which release GABA (gamma-aminobutanoic acid), the main inhibitor of the central nervous system. "A balanced dialogue between the 'excitatory' and 'inhibitory' activities is critical for brain function. Identifying the contribution from the several types of excitatory and inhibitory cells is essential to better understand brain operation", explains Liset Menendez de la Prida, the Director of the Laboratorio de Circuitos Neuronales at the Institute Cajal who leads the study at the CSIC.

In the case of the hippocampus, a brain region involved in memory function, there are 39 known types of excitatory principal cells and 85 types of inhibitory neurons. Activity patterns of these several cell types are very specific. All this information is now compiled in Hippocampome.org, a database created five years ago by the Center for Neural Informatics at George Mason University. This database integrates all current knowledge about the morphology, biophysics, genetic identity, connectivity and firing patterns of more than 120 types of neurons identified in the rodent hippocampus.

This upgrade, which has been possible thanks to a carefully recollection, identification and classification of neurons at the Institute Cajal, will allow the annotation and classification of high-density brain recordings, critical for brain machine interfaces. "Much of our knowledge about nerve cells to date comes from laboratory preparations that separate tissue sections of interest from the rest of the brain" says Giorgio Ascoli, a George Mason University Professor who directs the Center for Neural Informatics. "This new linkage to activity recorded in live animals is a game-changer towards real-scale computer models of brain and memory functions", adds Ascoli.

Novel computational models and machine learning applications

New information provided by Hippocampome.org may have impact in the development of more realistic predictive models that consider neural diversity as a source of information. The results of the work will help to decode brain signals associated with complex cognitive processes for which the information of single cell activity is essential.

This is the case of the hippocampus, which build a neural representation of sequential experiences that is later reactivated in a very specific way for encoding, storing, and retrieving memories. In order to better understand this code, we need to decompose mixed neuronal representations. The additional data included into Hippocampome.org may now provide the needed labels to begin deconstructing the code using modern tools from artificial intelligence.

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Life’s Potential

For now, the link between bioelectricity and animal forms remains an intriguing correlation—not a definitive means to heal injuries or lost limbs. The evidence to place bioelectric signals on par with enzymes, genes, or metabolites is still missing. Researchers know how a mutation can alter a gene’s function, or how an enzyme’s botched folds or molecular typos can instigate disease. Although studies suggest that ion channel proteins can transmit bioelectric signals—and potentially carry a bioelectric code—how and where this code is stored and inherited isn’t obvious like it is with proteins and DNA. “At the end of the day, irrespective of any properties that proteins may produce, they’re still codified at some point by the genome,” Alvarado says.

To find the missing links, researchers need to piece together information from studies of genetics, electric signals, embryonic development, and other areas, Alvarado says.

But even what’s currently known about bioelectric signals might be enough. Wound healing is a localized, superficial process, Huttenlocher says, so “you could apply topical drugs to a wound to enhance ion transport and see if this affects wound closure by strengthening electric fields.”

In the long run, learning precisely when and how an electric jolt can alter development or regeneration could spark waves of new therapies—and also establish a definitive role for bioelectricity in the grand scheme of life’s devices.

Image credits: Tufts University, Wendy Beane, Nestor Oviedo, and Junji Morokuma/Levin Lab, Dany S. Adams, AiSun Tseng/Levin Lab, Douglas J. Blackiston/Levin Lab, Rawpixel/iStockphoto


Voir la vidéo: Rencontre du PHI 11 02 2021 Quentin Hiernaux Du comportement végétal à lintelligence des plantes? (Janvier 2023).