Aumentare la plasticità sinaptica per accelerare l'apprendimento

Un nuovo programma DARPA esplorerà utilizzando la stimolazione dei nervi periferici per migliorare i processi di apprendimento nel cervello

 

Didascalia: L'obiettivo principale del programma mirato neuroplasticità Formazione (TNT) è quello di comprendere i meccanismi di base che collegano neurostimolazione alla plasticità. L'applicazione di tale conoscenza, la tecnologia TNT sarà progettato in modo sicuro e preciso stimolare i nervi periferici per controllare la plasticità sinaptica nei punti ottimali durante la formazione di competenze cognitive.

La ramificazione nel corpo dei nervi periferici collega i neuroni del cervello e del midollo spinale a organi, pelle e muscoli, regolando una serie di funzioni biologiche dalla digestione alla sensazione alla locomozione. Ma il sistema nervoso periferico può fare anche di più, ed è per questo che DARPA ha già programmi di ricerca in corso per sfruttarlo per un certo numero di funzioni - come sostituto dei farmaci per curare le malattie e accelerare la guarigione, per esempio, oltre che per controllare arti protesiche avanzate e ripristinare la sensazione tattile per i loro utenti.

 

 Ora, spingendo ulteriormente questi limiti, DARPA mira ad arruolare i nervi periferici del corpo per raggiungere qualcosa che è stato a lungo considerato solo il dominio del cervello: facilitare l'apprendimento. Lo sforzo capovolgerà la solita nozione secondo la quale il cervello dice al sistema nervoso periferico cosa fare.
 
Il nuovo programma, Targeted Neuroplasticity Training (TNT), mira a far progredire il ritmo e l'efficacia di un tipo specifico di apprendimento delle abilità cognitive-cognitive, attraverso l'attivazione precisa dei nervi periferici che a sua volta possono promuovere e rafforzare le connessioni neuronali nel cervello. TNT perseguirà lo sviluppo di una piattaforma tecnologica per migliorare l'apprendimento di un'ampia gamma di abilità cognitive, con l'obiettivo di ridurre il costo e la durata del vasto regime di formazione del Dipartimento della Difesa, migliorando nel contempo i risultati. In caso di successo, TNT potrebbe accelerare l'apprendimento e ridurre il tempo necessario per formare specialisti di lingue straniere, analisti dell'intelligence, crittografi e altri.

 
  Il programma è anche degno di nota perché, a differenza di molti dei precedenti sforzi della neuroscienza e della neurotecnologia della DARPA, mirerà non solo a ripristinare le funzioni perse, ma a far progredire le capacità oltre i livelli normali.
 
"Ricerche recenti hanno dimostrato che la stimolazione di alcuni nervi periferici, facilmente e indolore attraverso la pelle, può attivare regioni del cervello coinvolte nell'apprendimento", ha detto il direttore del programma TNT Doug Weber , aggiungendo che i segnali possono potenzialmente innescare il rilascio di sostanze neurochimiche il cervello che riorganizza le connessioni neurali in risposta a specifiche esperienze. "Questo processo naturale di plasticità sinaptica è fondamentale per l'apprendimento, ma non si sa molto sui meccanismi fisiologici che legano la stimolazione dei nervi periferici a una migliore plasticità e apprendimento", ha affermato Weber. "Si può pensare alla stimolazione dei nervi periferici come un modo per riaprire il cosiddetto periodo critico quando il cervello è più facile e adattivo". La tecnologia TNT sarà progettata per modulare in modo sicuro e preciso i nervi periferici per controllare la plasticità nei punti ottimali del processo di apprendimento.

   DARPA intende adottare un approccio a più livelli per esplorare questo nuovo terreno. La ricerca fondamentale si concentrerà su una comprensione più chiara e completa di come la stimolazione nervosa influenza la plasticità sinaptica, come i processi di apprendimento delle abilità cognitive sono regolati nel cervello e come potenziare questi processi per accelerare in sicurezza l'acquisizione di abilità evitando potenziali effetti collaterali. Il lato ingegneristico del programma mirerà allo sviluppo di un dispositivo non invasivo che fornisce la stimolazione dei nervi periferici per migliorare la plasticità nelle regioni del cervello responsabili delle funzioni cognitive. L'obiettivo è quello di ottimizzare i protocolli di allenamento che accelerano il ritmo di apprendimento e massimizzare la conservazione a lungo termine anche delle più complesse abilità cognitive. Per soddisfare questi diversi obiettivi, TNT prevede di attirare team multidisciplinari che abbracciano ambiti come la neuroscienza cognitiva, la plasticità neuronale, l'elettrofisiologia, la neurofisiologia dei sistemi, l'ingegneria biomedica, le prestazioni umane e la modellizzazione computazionale.
 
  Per familiarizzare i potenziali partecipanti con gli obiettivi tecnici di TNT, DARPA ospiterà un Proposers Day venerdì 8 aprile 2016, presso il Westin Arlington Gateway di Arlington, in Virginia. Lo speciale DARPA che annuncia il Giorno dei proponenti e descrive le specifiche capacità ricercate è disponibile all'indirizzo https://www.fbo.gov/spg/ODA/DARPA/CMO/DARPA-SN-16-20/listing.html . Sarà presentato un ampio annuncio di agenzia con tutti i dettagli tecnici su TNT. Per ulteriori informazioni, si prega di e - mail DARPA-SN-16-20@darpa.mil .

 
DARPA sta finanziando otto sforzi di sette istituzioni in un programma di ricerca coordinato che si concentra inizialmente sulla scienza di base della plasticità cerebrale e mira a concludere con la sperimentazione umana nei volontari sani. Per facilitare la transizione verso le applicazioni del mondo reale, alcune delle squadre lavoreranno con gli analisti di intelligence e specialisti di lingua straniera per capire come si allenano attualmente in modo che la piattaforma TNT potrebbe essere raffinato intorno alle loro esigenze. Il programma sarà anche confrontare l'efficacia da invasivo (tramite un dispositivo impiantato) contro la stimolazione non invasiva, indagare come evitare i potenziali rischi e gli effetti collaterali della stimolazione, e tenere un seminario sull'etica della neurostimolazione utilizzare per migliorare l'apprendimento.

La prima metà del programma TNT si concentra sul decifrare i meccanismi neurali alla base l'influenza della stimolazione nervosa sulla plasticità del cervello; scoprendo indicatori fisiologici che può verificare quando la stimolazione funziona efficacemente; e identificare e mitigare eventuali effetti collaterali di stimolazione del nervo. La seconda metà del programma si concentrerà sull'utilizzo della tecnologia in una varietà di esercizi di allenamento per misurare il miglioramento della velocità e il grado di apprendimento.
Le istituzioni elencate di seguito sono leader squadre esplorare gli aspetti dell'utilizzo di stimolo per attivare la plasticità.

• Un team di Arizona State University guidato dal Dr. Stephen Helms Tillery si rivolge la stimolazione del nervo trigemino per promuovere la plasticità sinaptica nei sistemi sensomotorie e visive del cervello. Attraverso la partnership con il Laboratorio Air Force Research, 711th Human Performance ala della US Air Force, e l'Istituto di ricerca dell'esercito USA di Medicina Ambientale, il team valuterà protocolli di stimolazione TNT con due gruppi di volontari, uno studio di intelligence, sorveglianza e ricognizione, e un altro tiro pratica e il processo decisionale.
• Un team della Johns Hopkins University guidato dal Dr. Xiaoqin Wang si sta concentrando sulle regioni del cervello coinvolte nel parlare e ascoltare per capire gli effetti della plasticità sull'apprendimento delle lingue. Il team confrontare l'efficacia di invasivo rispetto stimolazione del nervo vagale non invasiva (VNS), testare la capacità dei volontari di discriminare fonemi, imparare le parole e la grammatica, e produrre i suoni unici richiesti da alcune lingue straniere.
• In uno dei due sforzi DARPA sta finanziando presso l'Università della Florida, un team guidato dal Dr. Kevin Otto sta identificando quali percorsi neurali nel cervello VNS attiva. Il team sarà anche condurre studi comportamentali nei roditori per determinare l'impatto di VNS sulla percezione, funzione esecutiva, il processo decisionale, e la navigazione spaziale.
• Nel secondo tentativo University of Florida, un team guidato dal Dr. Karim Oweiss utilizzerà un approccio all-ottico di combinazione di immagini fluorescenti e optogenetics di interrogare il circuity neurale che collega i centri neuromodulatori nel cervello profondo per le regioni decisionali nella corteccia prefrontale e ottimizzare i parametri di VNS intorno a questo circuito per accelerare l'apprendimento di compiti discriminazione uditiva da roditori.
• Un'Università del Maryland sforzo guidato dal Dr. Henk Haarmann sta studiando l'impatto del SNV sull'apprendimento delle lingue straniere. Il suo team utilizzerà elettroencefalografia (EEG) per esaminare gli effetti della VNS sulla funzione neurale durante la percezione del linguaggio, il vocabolario, la grammatica e la formazione.
• L'Università del Texas a Dallas squadra guidata dal dottor Mike Kilgard è individuare parametri ottimali di stimolazione per massimizzare la plasticità, e confrontando gli effetti di invasivo rispetto a stimolazione non invasiva nei pazienti con acufene mentre eseguono operazioni complesse abilità di apprendimento, come l'acquisizione di una straniera linguaggio. Il team studierà anche la longevità di effetti di stimolazione per determinare se è necessaria la formazione di follow-up per la conservazione a lungo termine delle abilità apprese.
• Un'Università del Wisconsin team guidato dal Dr. Justin Williams utilizza state-of-the-art di imaging ottico, elettrofisiologia, e le tecniche di rilevamento neurochimiche in modelli animali di misurare l'influenza di stimolazione del nervo vagale e trigemino sul rilancio attività dei neuroni nel neuromodulatori cervello.
• Un team di Wright State University guidato dal Dr. Timothy Broderick si sta concentrando su identificare i marcatori epigenetici di neuroplasticità e gli indicatori di risposta di un individuo di VNS. Attraverso una partnership con l'Air Force Research Laboratory e 711th Human Performance ala della US Air Force, il team lavorerà anche con i tirocinanti analista volontario intelligenza che studiano oggetto e la minaccia di riconoscimento per determinare l'impatto di VNS non invasivo su quella formazione.

 

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Fonte: MindComputer