Le cycle de carbone dans le système terrestre

L'élément carbone est un constituant fondamental de la vie. Son cycle global est étroitement relié à l'habitabilité de notre planète. Les activités humaines telles que l'utilisation de combustibles fossiles, la déforestation et la combustion de biomasse modifient le cycle global du carbone. Comprendre le cycle global du carbone et comment il interagit avec le climat est un défi clé de la recherche; il est essentiel pour la gestion des changements climatiques à venir afin qu'il reste dans des limites acceptables.

Le cycle global du carbone est la voie par laquelle le carbone se déplace à travers le système de la Terre, y compris la terre, les océans, l'atmosphère et la biosphère. Certains composants du système terrestre, tels que les océans et les terres, parfois agissent comme réservoirs de carbone en le stockant pendant de longues périodes, et à d’autres moments agissent comme sources de carbone en le libérant dans l'atmosphère (Fig.1). Les émissions humaines de gaz à effet de serre tels que le dioxyde de carbone (CO 2) et le méthane (CH 4) interfèrent avec - et la modification - cette voie. Maintenant, plus que jamais, la compréhension du cycle global du carbone dans toute sa complexité est un problème de recherche en appuyant sur.

La connexion climatique

Figue. 1 Le cycle du carbone.

Stockage et déplacement de

carbone dans les systèmes

terrestres et à base d'eau.

Depuis le début de la révolution industrielle, il y a plus de deux cents ans, les gaz à effet de serre ont été libérés dans l'atmosphère par les activités humaines telles que la combustion de combustibles fossiles et la déforestation. Les concentrations atmosphériques de composés à base de carbone, tels que le CO 2et CH 4, sont maintenant beaucoup plus élevé que ce qu'ils ont été à tout moment au cours des derniers milliers d’années. Cependant, le carbone libéré dans les émissions de GES, seulement environ 40% reste dans l'atmosphère. Le reste est absorbé par les océans et la biosphère terrestre.

Sur des échelles de temps allant jusqu'à quelques milliers d'années, l'atmosphère, les océans, la végétation et les sols échangent rapidement carbone dans de grandes quantités à travers une multitude de processus biologiques physiques, chimiques et. Beaucoup de ces processus sera lent ou accélérer la croissance des niveaux de gaz à effet de serre en réponse au réchauffement, et donc représenter une rétroaction positive ou négative, respectivement, entre le cycle global du carbone et du climat. Sur la terre, par exemple, des températures plus élevées peuvent conduire à une meilleure respiration du sol, ce qui augmente le dégagement de CO 2 dans l'atmosphère. A l’inverse, dans les latitudes nordiques, des températures plus élevées peuvent augmenter la longueur de la saison de croissance et de favoriser une meilleure absorption du CO 2 par la végétation.

De puits aux sources

Comment les scientifiques peuvent garder un œil sur le cycle du carbone à travers un tel système complexe? Certaines régions sont particulièrement importantes dans le maintien du cycle global du carbone et peuvent fournir des indices essentiels à la santé globale du système terrestre.

La perturbation du cycle global du carbone est étroitement liée au développement humain et à la nécessité pour les ressources énergétiques et alimentaires sur la terre et dans les mers.

Sur terre, les régions les plus importantes pour aspirer le carbone de l'atmosphère sont les forêts tropicales de l’Amazonie, le bassin du Congo et l’Asie du Sud, et les forêts boréales et la toundra arctique. Collectivement connu comme les «poumons verts» de la planète, ces régions ont de grandes quantités de carbone enfermé dans la végétation et le sol. Les fractions non négligeable de régions forestières et de la toundra boréale ont un magasin supplémentaire de carbone dans leur couche de pergélisol sous - jacent. Dans un contexte de réchauffement climatique, la fonte du pergélisol pourrait ainsi libérer de grandes quantités de carbone sous forme de CO 2 ou, dans les marais et les tourbières, comme CH 4, qui en outre amplifier les changements climatiques.

Dans les océans, il existe deux carbones «points chauds» importants dans l'océan Atlantique Nord et l'océan Austral autour de l'Antarctique. Ici, l'excès de carbone se déplace de la surface dans les eaux profondes où elle est stockée sur des périodes de siècles à des millénaires. Les variations de la circulation océanique dans ces zones, ce qui pourrait se produire que les températures augmentent, pourrait diminuer la capacité des océans à stocker le carbone. Les premières études suggèrent que cela se produit déjà dans l'océan Austral, qui remet en question de savoir si, à l'avenir, les puits de carbone continueront à fonctionner ou se saturer et peut - être même devenir des sources de carbone .

cycles du carbone défis

Les défis pour la recherche sont claires, à commencer par la compréhension du cycle du carbone en tant que partie intégrante du système climatique mondial. Par exemple, d'autres études sont nécessaires pour élucider les processus clés qui transforment le carbone dans les écosystèmes terrestres et marins, et de comprendre comment le cycle du carbone est couplé à la fois pour les cycles de nutriments tels que l'azote et le phosphore, et le cycle hydrologique.

Justifiant également une plus grande attention est la multitude de rétroactions du cycle du système carbone climat qui opèrent sur des échelles de temps allant de quelques jours à des époques géologiques. Cela ne peut pas être atteint sans l'amélioration de nos outils de modélisation. Ici, la communauté de recherche internationale a un engagement à long terme à l'amélioration des modèles de la Terre-système - en d’autres termes, les modèles climatiques mondiaux avec un cycle de carbone fermé.

Les modèles complexes doivent être limitées aux observations du monde réel. Les observations à long terme du principal carbone hot-spots sont donc impératives. Un exemple de fonctionnement est le Grand établissement Observatoire de la Tour Zotino dans la forêt de taïga sibérienne, qui comprend un mât de 300 m de hauteur pour mesurer l’effet de serre atmosphériques régionaux, la chimie réactive, les aérosols et la météorologie.Un observatoire similaire sera mis en place dans la forêt amazonienne à court terme. Ces mesures au sol devraient être complétées par l'air répétées et des systèmes de télédétection spatiaux.

Un état stable

Peut-être le plus difficile de tous est de gérer le cycle du carbone de telle sorte qu'il continue à maintenir la planète dans un état climatique stable. Du point de vue des sciences naturelles, cela impliquera le développement de sources d'énergie non basées sur les combustibles fossiles tels que les biocarburants, ainsi que de trouver des moyens de séquestration du carbone, comme par le reboisement ou la capture de l'air et de stockage.

Les technologies qui pourraient avoir de multiples avantages, comme l'utilisation de la biomasse tirée du cycle de l'agriculture, sont particulièrement dignes d'enquête. La biomasse peut potentiellement être utilisée comme carburant à faible teneur en carbone ou en tant que moyen de stockage du carbone. Le dernier cas a l'avantage supplémentaire de produits générant qui pourraient être négociés pour des crédits sur le marché du carbone. La biomasse qui se transforme en matériaux de carbone de longue durée permet d’éliminer efficacement le CO 2 atmosphérique, au moins pour la durée de vie des produits, et en tant que telle est appelé «carbone négatif» .

Le cycle global du carbone et sa gestion ne peuvent être étudiés à partir de seulement un point de vue des sciences naturelles. La perturbation du cycle global du carbone est étroitement liée au développement humain et à la nécessité pour les ressources énergétiques et alimentaires sur la terre et dans les mers. L'évaluation scientifique de toutes les options de gestion doit donc clairement pour accueillir la multitude de facteurs socioéconomiques dans le monde moderne. Pour répondre à cette d'une manière rationnelle et scientifique pose un énorme défi qui doit être relevé afin d'orienter les systèmes terrestres dans des limites acceptables au cours des 100 prochaines années et au-delà. 

Pour déterminer quelles émissions anthropiques de dioxyde de carbone sont compatibles avec l'objectif de limiter le réchauffement planétaire à 2 ° C, notre modèle climatique doit inclure des changements dans le cycle du carbone. -Système terrestre simulations de l'Institut Max Planck de météorologie démontrent sensiblement réduit les émissions de dioxyde de carbone "admissibles" au cours de la vingt et unième siècle, quand un cycle de carbone couplé est inclus

L'informatique multi-modale et l'interaction

Les systèmes informatiques multi-modaux devront gérer plusieurs types d'entrée. Les premier défi est d'organiser, de comprendre et rechercher les données multi-modales disponibles d'une manière robuste, efficace et intelligente. Le deuxième défi est de développer des systèmes qui reflètent le comportement humain et sont intuitivement interactive.

Les trois dernières décennies ont vu des changements dramatiques dans la façon dont nous vivons et travaillons. Nous avons créé une société alimentée par des informations délivrées presque instantanément presque partout. Nous comptons sur l'information technologique (TI) pour aider à l'acquisition de ces données, et pour stocker, traiter et les transmettre de plus en plus efficacement, à moindre coût et rapidement. L'énorme quantité de données est seulement un défi; un autre fait face à la gamme croissante de formats ou modalités disponibles. Il y a dix ans, la plupart du contenu numérique est venu sous la forme de texte; aujourd'hui elle inclut également la parole, audio, images, vidéo et autres formes.

Les ordinateurs personnels modernes ont des capacités multimédias, et de nombreux outils plus électroniques sont maintenant intelligents ou multi-usages, y compris les ordinateurs portables, les smartphones et les capteurs et les écrans intelligents, qui ajoutent au volume global et un ensemble de données numériques, ainsi que le nombre de personnes qui peut générer et accéder. Le défi est d'organiser, de comprendre et de rechercher cette information multi-modale de manière robuste, efficace et intelligente.

Explorer les sens

La communication humaine et de la cognition est intrinsèquement multi-modale - les gens perçoivent le monde à travers les cinq sens primaire et s'exprimer de diverses manières, y compris avec la voix, les gestes, le regard, les expressions faciales, la posture du corps, le toucher et le mouvement. Les systèmes informatisés sont loin derrière les humains dans leur capacité à gérer toutes ces entrées. Les ordinateurs sont efficaces dans le traitement de grands ensembles de données bien structurées, mais sont actuellement incapables de faire face à des tâches qui sont faciles pour les humains, par exemple la création et la compréhension du langage naturel ou l'interprétation des informations visuelles telles que l'expression du visage.

L'objectif de l'interaction multi-modale est d'utiliser tous les différents types d'informations contenues dans la communication humaine efficace pour permettre à un plus naturel, l'interaction en temps réel entre les machines et les gens.

L’interaction multi-modale a pour contrepartie l'informatique multimodal qui améliore la capacité des systèmes informatiques pour acquérir, traiter et présenter des modes différents de données manière efficace et fiable. De tels systèmes ont plusieurs objectifs: analyser et interpréter l'information multi-modale, même quand elle est grande, dispersée, bruyant et peut-être incomplète; d'organiser les connaissances recueillies pour permettre l'interrogation puissant; et pour produire une sortie visuelle convaincante pour afficher des informations complexes en temps réel.

Principaux défis de l'informatique multi-modale

Figue.1 YAGO  représentation  des  connaissances
- une ontologie montrant les relations sémantiques entre les mots et les concepts

Des systèmes qui peuvent interpréter l'information multi-modale Conception est une tâche avec de nombreux composants.

L’acquisition, l’organisation et la récupération multi-modale informations

Recherche documents numériques d'aujourd'hui repose sur l'utilisation de mots-clés et des descriptions de texte simple. Médias y compris les fichiers audio et vidéo, l'image et sont consultables que par l'utilisation des annotations créées manuellement, ce qui est contraignant et peut créer des biais pour certains types de recherche. Bien que de nombreux types de ressources en ligne sont disponibles pour les utilisateurs professionnels et occasionnels, il y a peu d'intégration entre les différentes sources et formats.

À l'avenir, la connaissance sera automatiquement acquise, classé et maintenu en permanence par un ensemble de méthodes qui peuvent traiter le langage naturel, et de reconnaître et d’analyser le contenu vidéo. Ces systèmes seront également en mesure d'effectuer d’autres fonctions pour améliorer l’organisation, tels que inférer les relations entre les éléments d'information, et en utilisant le contexte pour extraire la signification des mots ambigus (de désambiguïsation sémantique; la figure1.). Des sciences et de l’ingénierie, notamment la médecine et les sciences de la vie , bénéficiera de ces applications comme le nombre et la diversité des publications scientifiques se développe.

Environnements virtuels réalistes

L'objectif est de créer des environnements virtuels pour une meilleure présentation des données multi-modales. L'aspect visuel peut être programmé à partir des principes ou peut incorporer le traitement sophistiqué des images existantes telles que des images statiques, des vidéos ou des analyses en trois dimensions. Ces méthodes nécessitent des techniques de l’infographie, le traitement d'images, vision par ordinateur, et combinatoire et géométrique de calcul pour générer à grande échelle, intégrée, environnements virtuels physiquement précis et visuellement riches.

Une exigence connexe est pour la création de personnages humains comme virtuels qui ressemblent et parlent de manière réaliste, montrent des émotions convaincantes et imitent le comportement des personnes réelles. personnages virtuels offrent une interface puissante et intuitive à travers laquelle de présenter des données multi-modales complexes, et peuvent être utilisés pour remplir des environnements de réalité virtuelle.

Reflétant humain à humain communication

Une approche pour accéder à l'information stockée est de concevoir un système qui interagit avec les utilisateurs d'une manière qui reflète le comportement humain et le dialogue. Un système qui recrée, la communication quotidienne naturelle de personne à personne, dans lequel le système et l'utilisateur humain combinent le même spectre de modalités d'entrée et de sortie, est dite symétrique . Un bon exemple concerne les conducteurs et les passagers voyageant dans une voiture: plutôt que de briser leur attention pour accéder aux services de voiture de pointe (par exemple, la navigation par satellite, de divertissement ou à quatre roues motrices), une interface naturalisée permettrait d'accéder facilement à l'aide des commandes vocales associées à des algorithmes prédictifs. Ces technologies de créer des modèles de calcul de la tâche courante combinée avec le contexte, telles que l'état et la charge cognitive de l'utilisateur, pour comprendre les besoins de l'utilisateur et de fournir des réponses multimodales appropriées.

Infrastructure autonome Conception, systèmes multi-modaux autonomes fiables est une chose; cependant, ils doivent être pris en charge par les plates-formes appropriées qui sont auto-organisé et capable de fonctionner de façon indépendante sur une gamme d'infrastructures, fournissant ainsi fiable à tout moment de l'informatique et de la communication et partout. Toute saisie manuelle de ces systèmes doit être limitée à l'installation et le remplacement des composants matériels.

Ces systèmes seront capables de fournir personnalisé, et de l'information en temps opportun et de la communication pertinente. Cependant, ils doivent respecter la vie privée légitimes préoccupations des utilisateurs tout en les tenant responsables de leurs actions. De tels systèmes sont une plate-forme nécessaire pour atteindre les objectifs énoncés précédemment.

Perspectives d'avenir

L'avenir multi-modal est déjà autour de nous sous la forme de smartphones, systèmes de positionnement global et des jeux d'ordinateur, même hyper-réalistes; aller vers l'avant, ce sera encore plus banal - disponible à tout moment et en tout lieu. Dans notre vision, ces systèmes seront auto-organisation et autonome, en utilisant des interfaces naturelles pour fournir des informations personnalisées rapidement et avec précision, mais ils doivent également respecter la vie privée des utilisateurs légitimes concerne. La priorité est de développer des principes pour la conception et le fonctionnement de ces systèmes qui gèrent les énormes quantités d’informations multi-modal en toute sécurité et en toute sécurité.

Des chercheurs de l'Institut Max Planck pour l’informatique ont récemment mis au point une nouvelle approche de marqueurs moins à la capture des performances humaines complexes (spatio-temporelle ment géométrie cohérente, de mouvement et de texture) de multi-vues vidéo. Une nouvelle approche pour construire des bases de connaissances exhaustives qui tapent les plus profondes sources et des relations d'information en ligne, pour répondre aux questions au - delà des moteurs de recherche à base de mots-clés d'aujourd'hui, a été proposé

La génomique comparative des primates supérieurs

Une meilleure technologie permet à un séquençage génomique plus ambitieux. En comparant notre génome à ceux de notre vie à la fois proche et éteintes, les parents vont révéler des gènes qui sont nécessaires pour des traits humains spécifiques. Comprendre ce qui nous différencie des autres espèces pourrait nous aider à lutter contre les maladies humaines spécifiques.

Comme plus de détails émergent à partir des génomes de l' homme  , nos plus proches parents vivants les singes et notre plus proche éteinte par rapport à la Neandertal, il deviendra possible de dire ce qui nous définit comme une espèce à partir d' un point de vue génétique. Des études détaillées de gènes qui portent les traits évolutionnaires humains spécifiques devraient révéler ceux qui ont été particulièrement important au cours de l'évolution humaine. En fin de compte, ces efforts pourraient découvrir la biologie sous la cognition humaine, de la langue et de la culture, et pourrait améliorer notre compréhension des conditions telles que l'autisme, la schizophrénie et des troubles du langage.

APE ANCESTRY

Figue. 1 Arbre des humains

 et des singes.

Le chimpanzé commun et le bonobo ou chimpanzé pygmée sont nos plus proches parents vivants, avec lesquels nous partageons un ancêtre commun qui vivait il y a 5-7 millions d'années. Les humains et les chimpanzés partagent un ancêtre commun avec les gorilles - les autres principales espèces de singes africains - qui vivaient il y a 6-8 millions d’années, alors que l'ancêtre commun partagé avec les orangs - outans d’Asie a vécu il y a 12-16 millions d’années (figure 1.).

De nombreuses espèces qui ont été plus étroitement liés à l'homme ont vécu et se sont éteintes depuis l'époque de l'ancêtre de l'homme chimpanzee-. Ils sont collectivement appelés hominidés. Un hominidé est le Neandertal, dont la lignée divergé de la nôtre il y a 300,000-500,000 ans. Néandertaliens vivaient dans l'ouest de l'Eurasie, parfois aux côtés de nos ancêtres, jusqu'à ce qu'ils se sont éteints il y a environ 30.000 ans.

L'ÉTAT DE L'ART

Squelettes d'un Neandertal (à gauche)

et un être humain.

Notre capacité technique de séquençage des génomes améliore rapidement et le coût ne cesse de baisser. Bientôt, il sera possible de séquencer les génomes de mammifères avec précision et à moindre coût dans une affaire de jours. Dans le même temps, les technologies qui permettent des enquêtes à grande vitesse de protéomes et métabolomes - qui est, toutes les protéines et molécules métaboliques présents dans un tissu ou d'une cellule - sont également en cours d'élaboration.

Aujourd'hui, le génome de primate le plus complet est celui de l'être humain; les génomes du chimpanzé, gorille, orang-outan et le macaque rhésus sont de qualité inférieure et variable.

Cette année, un groupe de chercheurs a publié la première ébauche du génome Neandertal complète. L'étude de ces génomes aidera les chercheurs à identifier les millions de changements nucléotidiques, et des dizaines de milliers d'insertions, délétions et duplications de courts tronçons de l'ADN, qui ont eu lieu depuis la divergence des humains modernes de chimpanzés et, plus récemment, de la Néandertaliens.

PROCHAINES ÉTAPES

Des études comparatives précises du génome humain avec ceux d'autres primates, il faudra des données génomiques de même, de haute qualité pour les singes vivants et hominidés éteints. Cependant, les génomes de grands singes disponibles sont actuellement de faible qualité. Au cours des prochaines années, les chercheurs visent à séquencer les génomes de la plupart des espèces de singes et d'élever singes génomes à la fiabilité au niveau humain.

Aussi une grande importance est la variation au sein des espèces, comme des modèles de différences dans la séquence d'ADN entre les individus permettent l'identification de la sélection positive. Plusieurs grands projets (par exemple, HapMap, ENCODE et 1000 génomes) fournissent un aperçu de la variation génomique chez les humains, mais il n'y a pas de projets équivalents pour singe ou génomes de primates.

Une première étape simple vers ce type d'entreprise serait de prélever des échantillons de sang et de tissus de singes en captivité. Ceux-ci ne représentent qu'un échantillon limité de la variation génétique ape totale; échantillons génétiques de grands singes sauvages sont nécessaires de toute urgence, car ces populations sont menacées et pourraient disparaître dans les prochaines décennies. Les échantillons non invasifs, tels que les matières fécales ou les cheveux, de tous les grands singes à travers leurs gammes actuelles entières devraient être collectées et conservées pour l'avenir. Mise en place des lignées de cellules de singe et les bibliothèques de séquences à partir de ces échantillons prolongera leur durée de vie utile.

Le séquençage du génome de Neandertal plus précis est également en cours et devrait être étendu à plusieurs personnes de Neandertal et d'autres hominidés éteints. Les chercheurs devraient élaborer des normes et des protocoles pour travailler avec l'ADN ancien, l'ADN des hominidés particulièrement anciens, afin d'assurer que les résultats sont fiables et non le produit, par exemple, la contamination de l'ADN humain moderne.

Toutefois, il ne suffit pas de comparer uniquement les séquences d'ADN à l'intérieur et entre les espèces; l'activité du gène est également d'une importance cruciale. Des motifs de transcription, des variants d'épissage et les niveaux d'expression des gènes dans différents tissus doivent être étudiés. Les efforts actuels pour étudier l'activité des gènes dans le génome de primate non humain reposent sur l'hypothèse que la structure des gènes, l'épissage et de l'ARN de régulation sont en grande partie similaires à ceux chez l'homme.

Les techniques de séquençage améliorées permettront ARN à partir de chaque espèce à étudier directement et aussi aider à révéler l'activité des portions moins bien étudiés du génome, tels que ceux qui ne codent pour des protéines. Avec des méthodes basées sur la spectroscopie-masse pour étudier le protéome, cela va aider les scientifiques à comprendre comment le génome se rapporte à la production de protéines - dans chaque cellule et organe, et au cours de la vie d'un individu.

PERSPECTIVE DE GÉNOMIQUE EVOLUTIONARY PRIMATE

En fin de compte, l'analyse des génomes de primates existantes et disparues couplées à l'étude de l'activité des gènes chez les primates existants permettra d'identifier les séquences d'ADN qui rendent l'homme unique. Pour tester les effets de ces séquences, il sera nécessaire de développer de nouveaux systèmes expérimentaux in vitro. Un tel système peut comprendre des cultures de tissus qui imitent les tissus humains formés, par exemple, par l'utilisation de cellules souches pluripotentes induites. Une autre approche pourrait être des gènes «humanisation» ou des voies entières dans des modèles animaux, tels que la souris de laboratoire. Les manipulations génétiques de ces systèmes seront ensuite fournir un moyen pour tester les aspects de traits propres aux humains.

Comprendre la base biologique de caractéristiques spécifiques humaines telles que la cognition, de la langue et de la culture sera d'intérêt pour la société. Il pourrait aussi être d'une utilité médicale dans le cas d'affections telles que les troubles de la parole, l'autisme et la schizophrénie qui affectent les caractéristiques spécifiques à l'homme. Une meilleure compréhension des racines génétiques de ces capacités peut aider à améliorer les traitements.

Une première ébauche du génome de Neandertal a été produite récemment à l'Institut Max Planck pour l'anthropologie évolutionnaire. Il nous permet d'identifier les caractéristiques génomiques par laquelle tous les humains actuels diffèrent de nos plus proches parents de l’évolution, ainsi que les régions génomiques qui ont été soumises à une sélection positive au cours de l'évolution des humains pleinement modernes

Plasticité du cerveau humain

Les changements du cerveau humain tout au long de la vie en réponse à l'expérience - un processus appelé plasticité. Plusieurs techniques différentes peuvent être utilisées pour étudier la plasticité du cerveau, y compris la mesure des changements dans la structure du cerveau, la fonction et les événements moléculaires. L'amélioration de ces techniques vont nous aider à comprendre comment la plasticité du cerveau lié à l'apprentissage ou comment faciliter la récupération chez les patients cérébrolésés.

Le cerveau humain est en constante évolution. Que ce soit pour répondre à des expériences, des compétences d'apprentissage ou la récupération d'une blessure, la fonction et la structure du cerveau sont dans un état continuel de flux que les scientifiques appellent la plasticité, qui se poursuit tout au long de la vie.

La plupart de notre compréhension de la plasticité provient d'études sur le cerveau des animaux. Avec les progrès de l'imagerie cérébrale non invasive, cependant, le cerveau humain est devenu accessible pour les enquêtes sur la plasticité. Par exemple, nous avons vu que la région du cerveau impliquée dans la navigation est plus grande dans les chauffeurs de taxi londoniens que chez les sujets témoins et que l’apprentissage à jongler peut remodeler les zones du cerveau impliquées dans le mouvement. Il y a aussi des preuves indirectes que les neurones peuvent se régénérer, même dans les cerveaux humains adultes.

IMAGERIE PLASTICITÉ

Figue. 1  L’IRM cérébrale analyse

des changements structurels induits

par la formation observés en vue de

dessus  (à gauche)  et  vue  de  face

(à droite) du cerveau ...

Au cours des dernières décennies, diverses méthodes cerveau d'imagerie non invasives ont été utilisées dans les études sur la plasticité du cerveau.

Imagerie structurale. Certains types d'imagerie par résonance magnétique (IRM) peut révéler la structure de la matière grise et la substance blanche. Ces techniques permettent aux scientifiques de sonder la densité neuronale dans diverses zones du cerveau, pour étudier la taille et la disposition des connexions reliant les régions, ou pour évaluer les changements structurels dus à l’apprentissage (Fig.1), d'une blessure ou d'une maladie.

L’IRM fonctionnelle (IRMf). Cette technique enregistre des changements dans le fonctionnement du cerveau en mesurant les changements dans la circulation sanguine locale ou de l’hémoglobine oxygénation (Fig.2). IRMf permet de mesurer les changements dans la configuration du cerveau de l’activité après une blessure ou d’apprentissage.

Figue. 2  Des exemples de IRMf scans 

exemples de (a) coronales, (b) les analyses

sagittal  et  (c)   transversale  IRMf  cerveau

obtenues à un ..

L’imagerie moléculaire. Trouver la base moléculaire de la plasticité du cerveau humain est une idée nouvelle. Il implique, par exemple, la recherche de changements au niveau des récepteurs chimiques ou transporteurs qui induisent ou empêchent la plasticité. Une approche, la tomographie par émission de positons (TEP), utilise des traceurs radioactifs qui se fixent à des produits chimiques pour suivre la façon dont ils sont fabriqués ou distribués dans le cerveau. Une autre approche, émergente est l’imagerie cérébrale non- invasive optique, qui utilise des traceurs fluorescents.

Ces techniques ont permis de révéler la nature plastique des structures dans le cerveau humain. Cependant, notre compréhension des processus sous-jacents est encore insuffisante, et plusieurs défis doivent être abordés avant que nous puissions comprendre comment le cerveau humain change avec l'expérience et le temps. Pour relever ces défis, de nouveaux développements méthodologiques seront nécessaires.

DÉFIS EN SUSPENS

Lier à la physiologie. Il est difficile de lier les études d'imagerie cérébrale à la neurophysiologie sous - jacent. Par exemple, il est le soi-disant problème inverse de l'IRMf. De signaux vasculaires »Cette technique mesure - des changements dans le flux sanguin et de l’hémoglobine oxygénation - qui sont supposés être étroitement liée à l’activité neuronale (par exemple, des potentiels d'action des neurones, et une activité inhibitrice ou excitateurs synaptique), mais on ne sait pas comment. Le problème est aggravé par le fait que l'IRMf a une résolution temporelle de l'ordre de secondes, ce qui n’est pas assez rapide pour refléter l'activité de la milliseconde des neurones individuels. Comment, alors, pour mesurer l'activité et être plus proche de processus neuronaux? Une façon est de combiner l'IRMf avec d'autres outils non invasifs avec une meilleure résolution temporelle, comme l'électroencéphalographie (EEG). Utilisation de l’IRMf et EEG ensemble, des études récentes ont été en mesure d'identifier feu de neurones chez les sujets humains et les potentiels des structures sous - jacentes du générateur.

Électroencéphalographie (EEG) peut être

utilisée en conjonction  avec l'IRMf  pour

améliorer la résolution  temporelle de  ce

dernier.

Des sites uniques aux réseaux. Aucune zone du cerveau ne fonctionne de manière isolée. Les fonctions cognitives sont gérées par des réseaux de zones cérébrales interconnectées, dont certains remplissent les sous-tâches spécialisées. Bien que la cartographie du cerveau - fonctions à des zones spécifiques du cerveau allocation - soit significative, elle doit prendre en compte le rôle de la zone au sein de l'ensemble du réseau ou «connectome» des zones du cerveau. Plusieurs nouvelles approches de neuroimagerie peuvent montrer le lien entre les zones du cerveau dans les réseaux; par exemple, du tenseur de diffusion d'imagerie (DTI), qui est une variante de l'IRM, l'imagerie permet la connectivité structurelle, tandis que la connectivité fonctionnelle peut être évaluée par l'état de repos IRMf.

Fondements moléculaires. Chez les animaux, les chercheurs peuvent examiner les processus moléculaires qui interviennent dans la plasticité en ouvrant le cerveau. Chez les humains, il existe un besoin de méthodes non invasives. PET, par exemple, est déjà utilisé avec succès chez l'homme - mais rarement pour des études sur la plasticité du cerveau. L’intégration de PET avec l’IRM est une voie prometteuse pour la recherche sur la plasticité, permettant l’enregistrement simultané de la dynamique du sang et des réponses moléculaires dans le cerveau.

Racines génétiques:Les généticiens sont intéressés à trouver des liens vers la plasticité dans le cerveau; en effet, de nombreuses études ont mis en évidence la machinerie moléculaire derrière la maladie d'Alzheimer ou la maladie de Parkinson. L’analyse du génome entier est maintenant techniquement possible et est en baisse dans le prix; combinant cette fois avec des tests de cognition ou de comportement et l'imagerie cérébrale pourrait donner des idées puissantes sur la façon dont les différences génétiques façonnent le cerveau, et dans quelle mesure la plasticité est programmée génétiquement.

Effets du vieillissement et de milieu social. Les effets sur la plasticité du cerveau des facteurs génétiques et moléculaires ne peuvent pas être différenciés des effets du vieillissement. Par exemple, certains gènes sont exprimés préférentiellement à certains âges. Les troubles qui sont plus fréquents chez les personnes âgées, comme la maladie d'Alzheimer et de Parkinson ou d'un AVC, peuvent également affecter la capacité plastique du cerveau. Le milieu social d'un individu est également pertinent pour la plasticité cérébrale. Les études sur le «cerveau social» sont de plus en plus répandues et nous aideront à comprendre comment notre monde social peut influencer notre biologie.

Avancées théoriques. Le domaine de la recherche de la plasticité est encore relativement nouveau, et consiste principalement à accumuler des données pour tester des hypothèses. Comme le champ arrive à maturité, il sera important de formuler des cadres conceptuels pour cimenter les résultats dans un plan plus vaste. Les modèles informatiques de l'activité du cerveau et de la plasticité sont une voie prometteuse, développé en collaboration avec la recherche empirique.

La recherche sur la plasticité pourrait se traduire par de nombreuses applications utiles. Tant l'apprentissage individuel et des cours de formation institutionnels plus importants pourraient bénéficier d'une meilleure compréhension des mécanismes neuronaux sous-jacents. En outre, il y a potentiellement des implications cliniques importantes: les nouveaux médicaments et les protocoles de traitement pourraient stimuler la plasticité du cerveau et, par conséquent, la récupération de la fonction cérébrale. Avec la connaissance de la génétique de la plasticité, nous pourrions organiser des patients ou d'étudier des sujets par des traitements de génotype et de test en conséquence. Une meilleure compréhension des rythmes électriques du cerveau pourrait nous permettre d'utiliser la stimulation électrique ou magnétique pour changer les modèles d'activité dans différents domaines, améliorant ainsi l'apprentissage ou aide au rétablissement d'une blessure. Les améliorations continues dans les techniques d'imagerie cérébrale permettront à ces ambitions à réaliser.

Des chercheurs de l'Institut Max Planck pour l’homme Cognitive and Brain Sciences étudient l’apprentissage comment perceptuelle, ainsi que l'apprentissage de nouvelles habiletés motrices, est associée à la réorganisation du cerveau, qui peut être évalué de façon non invasive avec l’imagerie par résonance magnétique structurelle et fonctionnelle chez les sujets humains. Récemment, il a été démontré que les différentes zones du cerveau sont engagés séquentiellement, avec des zones préfrontales étant associées à l’apprentissage à long terme

Calcul des modèles de maladies

La collecte  de  données  cliniques

peut conduire à l'identification des

«empreintes moléculaires» pour les

patients, concernant le génotype 

Les modèles informatiques de la maladie sont très précieux pour interpréter de larges pans de données spécifiques au patient. Les méthodes statistiques, algorithmiques et numériques plus sophistiqués sont nécessaires pour analyser les ensembles de données avec des informations biologiques et cliniques complexes. Des progrès significatifs ne seront effectués si des modèles distincts du processus de la maladie - opérant à différents niveaux et couvrant une gamme de délais - peuvent être combinés.

La collecte et le stockage des informations biomoléculaire et clinique est plus accessible et moins cher que jamais. Un défi majeur est maintenant de comprendre les vastes volumes de données en cours de production, qui est l'endroit où les modèles informatiques complexes peuvent jouer un rôle vital.

Les progrès de la technologie et le développement de nouvelles méthodes expérimentales ont eu un impact significatif sur l'étude de la maladie. Cela a conduit à de nouvelles orientations de recherche, y compris: l'acquisition de «empreintes moléculaires» détaillées des patients contenant des informations, par exemple, le génotype, expression génique ou protéique, ou les niveaux de métabolites; l'étude des processus intracellulaires dans les tissus sains et malades par la manipulation de l'activité des gènes dans les cellules; et la construction de bases de données spécifiques à la maladie complets qui combinent les antécédents médicaux des patients avec des données de laboratoire et cliniques ainsi que d' économiser des échantillons de tissus pertinents .

L’analyse et la modélisation informatique peut aider à comprendre les données recueillies. Dans un premier temps, les empreintes moléculaires peuvent être utilisées pour identifier des biomarqueurs qui indiquent un risque élevé de contracter une maladie ou pour confirmer le diagnostic. Information sur les processus intracellulaires peut être utilisé pour construire des réseaux artificiels des interactions moléculaires impliqués et d'évaluer leur rôle dans la maladie, tandis que les modèles dynamiques quantitatifs plus complexes peuvent suivre les processus moléculaires sous-jacents au fil du temps. De tels réseaux pourraient aussi aider à prédire à la fois l'évolution probable de la maladie et sa réponse au traitement .

Le maintien et l'analyse de bases de données spécifiques à la maladie, il faudra des ressources de calcul importantes. Bien que ce soient un effort de collecte et d'analyse des données gargantuesques, les résultats aident à guider la prise de décision clinique et adapter les approches thérapeutiques pour l'individu plutôt que le patient «moyen». Par exemple, les médecins peuvent utiliser des mesures des biomarqueurs d'un patient en plus de leur histoire médicale et clinique au moment de choisir quel est le schéma de traitement à prescrire.

DIFFICULTÉS DE DONNÉES

Bien que ces stratégies sont prometteuses, la recherche est à un stade relativement précoce et il y a beaucoup de problèmes à résoudre. La gamme de données spécifiques à la maladie sont recueillis sur une base systématique doit être augmentée. Davantage d'informations devraient provenir d'études longitudinales, dans lesquelles des échantillons ou les patients sont suivis au fil du temps. Ces données devraient être de haute qualité et adapté à la comparaison; de nombreuses nouvelles technologies sont sujettes à des variations expérimentales, limiter-ment leur utilité dans le cadre clinique. Par conséquent, il est important d'avoir des modèles de com-computationnelle permettant de distinguer la variation technologique de la vraie différence biologique.

Un autre défi majeur concerne les difficultés chercheurs peuvent rencontrer lorsqu'ils souhaitent accéder à des données cliniques et des échantillons biologiques pertinents. De nombreuses questions juridiques et éthiques liées à la vie privée et à la protection des données personnelles doivent être abordées - ainsi que de nombreuses questions d'organisation - si cette situation est d'améliorer.

Les chercheurs ont besoin d'outils statistiques fiables, précis et fiables pour faire face à l'information produite. Il est trop facile pour des résultats faussement positifs à être produites à partir de petits échantillons de données complexes. De même, sans techniques statistiques sophistiquées, il est impossible d'incorporer des éléments de hasard dans les processus dynamiques. Les technologies utilisées pour visualiser les résultats des activités de modélisation sont tout aussi importants; ils doivent être en affichant des résultats d'une manière qui peut être facilement comprise par ses collègues scientifiques et collègues médicaux convivial. La nature intuitive de ces présentations visuelles est essentielle lors de l'étude des systèmes biologiques complexes.

POSSIBILITÉS DE MODÉLISATION

Les maladies telles que le VIH / SIDA, la tuberculose, l' hépatite C , la grippe et le paludisme affectent de grandes populations de patients, ce qui en fait une utilisation particulièrement importante de la modélisation informatique. Les modèles doivent être mis à jour régulièrement pour suivre l'évolution rapide des agents infectieux.

Les interactions entre un agent pathogène et son hôte. Une approche de modélisation basée sur des réseaux moléculaires peut révéler des informations sur la relation entre un agent pathogène et son hôte. Le développement de modèles dynamiques qui montrent comment les agents infectieux se répliquer dans les cellules sera une étape importante, comme quantitatives descriptions de propagation pathogène à travers les tissus et organes.

La conception d’un vaccin. Les modèles informatiques peuvent prédire l'issue probable de l’amélioration des stratégies de conception de vaccins , comme la meilleure combinaison d'un antigène avec un agent pour stimuler la réponse immunitaire. L'analyse des données permet également d'identifier des biomarqueurs qui révéleront si un nouveau vaccin est efficace, ce qui pourrait considérablement réduire la durée et le coût des essais cliniques.

L’évolution des pathogènes. Les maladies infectieuses évoluent rapidement pour échapper à la réponse immunitaire. Ce processus peut être modélisé afin de sélectionner la meilleure souche virale à utiliser dans des lots d'un vaccin. Ces analyses de «dérive évolutive 'virale influencent déjà la conception de vaccins contre la grippe saisonnière  (Fig.1).

De même, l'évolution rapide des agents pathogènes peut conduire au développement d'une résistance à la thérapie médicamenteuse. En modélisant ce processus en utilisant un programme statistique, il est possible de prédire le succès relatif des différentes stratégies de traitement (voir Faits saillants encadré ci-dessous à gauche). La poursuite du développement des outils de calcul intégrera les données du patient et de l'histoire thérapeutique dans l'analyse.

Epidemiology. Les modèles qui vont au-delà biologie pour inclure des données démographiques et les aspects sociaux du comportement humain peuvent prédire le risque d'infection, et comment la maladie se propage, à la fois localement et globalement.

TIRANT ENSEMBLE

La plupart des efforts de maladies modélisation récentes se concentrent uniquement sur un aspect limité du processus de la maladie. Afin de créer des outils plus réalistes et utiles, il est important d'intégrer ces approches et de développer des modèles plus dynamiques à grande échelle. Ce sera un défi, notamment en raison des différentes échelles de temps impliquées: les modèles de progression de la maladie et de guérison jours de portée, voire des années, alors que les réactions chimiques peuvent être complétés en quelques microsecondes.

>> Efforts de maladies modélisation les plus récents se concentrent uniquement sur un aspect limité du processus de la maladie.

La plupart des applications présentées ici sont à un stade précoce; cependant, il est possible de beaucoup de progrès au cours des 5 prochaines années. En fin de compte, des informations basées sur des modèles de maladie de calcul seront bénéfique pour les patients en améliorant le diagnostic et le pronostic, en aidant à développer de nouveaux traitements et de réduire considérablement le risque d'un traitement inadéquat ou même dommageable.

L'Institut Max Planck pour l’informatique a développé des modèles bio-informatique de l’infection par le VIH qui prennent en charge le traitement clinique des patients atteints du SIDA. En collaboration avec les virologues et les médecins dans toute l’Allemagne, les modèles ont été obtenus avec des techniques d'apprentissage statistique, basée sur des données cliniques recueillies au cours de deux décennies. Ils peuvent être interrogés librement sur Internet et sont utiles dans les derniers stades de l’infection, lorsque les options thérapeutiques sont limitées

La psychiatrie moderne

Les études d'association larges du génome ont découvert l'importance des variations génétiques multiples dans les troubles psychiatriques. Les génotypes et les biomarqueurs en combinaison avec des caractéristiques cliniques aideront à répondre à l'hétérogénéité de phénotypes patients. De nouveaux biomarqueurs permettront d'identifier l'apparition de la pathologie longtemps avant que les symptômes cliniques apparaissent, permettant ainsi une intervention précoce et la prévision des résultats.

DE GÊNES AUX TRAITEMENTS

Des centaines de millions de personnes dans le monde sont touchées par les troubles mentaux. Ces conditions ont été mal compris depuis des siècles; cependant, la psychiatrie moderne commence maintenant à explorer la génétique, cellulaire et névralgie 

perturbations du réseau qui sous-tendent la maladie mentale, dans le but d'identifier des indicateurs biologiques - ou biomarqueurs - qui peuvent être utilisés pour le diagnostic, le pronostic et l'intervention thérapeutique.

Progrès dans la génétique

Figue. 1 | Études pangénomiques

association (GWAS). Les scientifiques

comparent l' ADN de milliers de patients

 à l' ADN de …

La génétique a été l'une des principales forces motrices de la recherche en psychiatrie, comme il a été clair depuis des décennies qu'il y a héritabilité dans beaucoup - sinon tous - conditions psychiatriques. Deux stratégies de recherche dominent le domaine de la génétique psychiatrique aujourd'hui. Le premier concerne l'étude d'association pangénomique (GWAS), dans lequel les chercheurs de numérisation et de comparer les génomes entiers de personnes avec et sans trouble particulier (figure 1). ; Cette approche a mis en évidence de nombreux gènes candidats communs avec de petites mais significatives influences sur les troubles tels que la schizophrénie. La seconde implique une recherche de variants génétiques rares qui ont une forte association avec une condition; dans la recherche sur l’autisme, ces études ont mis en évidence les gènes qui affectent comment les neurones se connectent les uns aux autres.

Les stratégies génétiques viennent avec quelques mises en garde. Par exemple, ils sont d'une utilité limitée dans des conditions telles que les troubles de l'humeur et de l'anxiété, qui ont de grandes influences environnementales. En outre, l'identification des variants génétiques est souvent simplement un point de départ, et les données génétiques doit être complétée par des analyses des effets épigénétiques, des profils d'expression génique, le protéome, les profils métaboliques, et des données de neuroendocrinologie et d'imagerie, pour donner un aperçu définitif.

Par conséquent, les domaines de la transcriptomique, protéomique, métabolomique et l'imagerie fonctionnelle se développent rapidement. Malgré les limites, les études génétiques ont révélé des informations importantes sur les gènes de la maladie putatifs et, dans certains cas, ont conduit à l'élaboration de modèles animaux importants de maladies psychiatriques .

SORTIR GÈNES

Les troubles psychiatriques sont complexes et donnent lieu à des groupes de patients avec des caractéristiques cliniques diverses. Par exemple, deux patients présentant des symptômes similaires peuvent avoir différentes pathologies sous-jacentes, tandis que les jumeaux identiques peuvent avoir des symptômes différents. Pour démêler les causes de cette hétérogénéité, il est important de développer de meilleures définitions cliniques fondées sur des données cliniques détaillées et des informations biologiques quantifiables sur une affection donnée, plutôt que d'un diagnostic basé sur la comparaison avec des témoins sains.

De nouveaux biomarqueurs de troubles psychiatriques se révélera important, non seulement pour le diagnostic et la thérapie de détermination, mais aussi pour l'identification de l’apparition de la maladie, la progression, la rémission et de rechute . La plupart des technologies nécessaires pour déterminer les différences moléculaires entre les individus sains et malades sont complexes et donc problématique à utiliser dans de grandes cohortes de patients. Les progrès de l'instrumentation, en plus du soutien de la bioinformatique forte, sont nécessaires dans plusieurs disciplines.

La première est la génétique. Les technologies plus rapides et plus précises gène séquençage continueront à conduire des progrès dans le domaine. Ces technologies permettront éventuellement plus abordable, les analyses en profondeur du génome.

Le second est la transcriptomique. Il a été difficile de déterminer les différences dans les profils d'expression génique entre les états pathologiques et sains, parce que les puces à ADN et d'autres méthodes manquent de reproductibilité et de l'intensité du signal est adéquate. Avec des technologies plus sensibles et précises, les chercheurs seront mieux en mesure d'identifier les régions modifiées de la maladie du génome.

Le troisième est la protéomique. Les protéines sont des acteurs clés dans la physiologie et la physiopathologie; Toutefois, la réalisation des analyses complètes des biomarqueurs protéiques de troubles psychiatriques a été une tâche ardue. Nouveaux développements dans les techniques de détection, d'analyse et de spectrométrie de masse sont susceptibles de résoudre bon nombre des défis actuels. Le quatrième est la métabolomique. Le profil métabolique d'un patient reflète l'interaction des interactions gènes-environnement en cours. Ces profils peuvent servir d'indicateurs clés de perturbations ou des réactions physiopathologiques possibles à un médicament.Le métabolome d'un individu est complexe et hétérogène en ce qui concerne sa composition moléculaire.

Le cinquième est l’imagerie cérébrale. Preuve de résonance magnétique nucléaire (RMN) neuroimagerie à base indique que les changements morphologiques dans les zones spécifiques du cerveau peuvent être utilisés comme facteurs prédictifs de la réponse au traitement. Électroencéphalographie (EEG) des lectures prises pendant le sommeil ont déjà donné des informations sur les candidats biomarqueurs. Pour réaliser leurs avantages, les technologies d'imagerie doivent être mises à la disposition plus de patients, ce qui nécessitera des investissements majeurs dans l'instrumentation et de la formation.

Le sixième est neuroendocrinologie. Par exemple, les mesures d'hormones de stress chez les patients souffrant de dépression, ont une valeur clinique pronostique important. Cependant, les progrès dépendront de l'application de nouvelles approches protéomiques et métabolomiques.

Un autre objectif majeur dans la recherche de biomarqueurs est de découvrir les voies de signalisation qui peuvent être ciblées par des médicaments. Pour cela, les scientifiques ont besoin d'un accès direct aux bibliothèques de petites molécules et des ressources d'analyse à haut débit afin qu'ils puissent dépister leurs cibles dans des conditions idéales.

GÈNES, ENVIRONNEMENT ET COMPORTEMENT

Des études génétiques ont mis en évidence de nombreux gènes candidats qui sont impliqués dans les troubles psychiatriques; Cependant, les chercheurs ont également besoin de déterminer les conséquences neurobiologiques d'une variation génétique donnée. Cela nécessite la connaissance des mécanismes par lesquels les facteurs non génétiques environnementaux et autres influencent l'expression des gènes, et comment ils varient d'adapter à l'évolution des demandes. Un intérêt particulier est de savoir comment la petite enfance connaît la sensibilité ou la résistance de la maladie de forme. L'expérimentation animale qui imite les adversités dans les différentes périodes de la vie seront indispensables. Les chercheurs ont montré, par exemple, que la séparation souriceaux de leur mère peut conduire à des traits comportementaux qui rappellent la dépression.

Les études  de  jumeaux  ont  longtemps été

le fondement de la recherche sur les troubles

psychiatriques, dans le but de taquiner

Des modèles murins fournir des aperçus uniques sur les déficits comportementaux parce qu'ils ont une bonne validité du visage - ce qui signifie que leurs symptômes ressemblent à ceux de l'homme. Développement de modèles de souris génétiques pour les maladies psychiatriques deviendra de plus en plus important que les chercheurs visent à démêler les influences génétiques et environnementales sur les maladies psychiatriques. Ces modèles devront inclure des variantes génétiques complexes, et être testé en combinaison avec les facteurs environnementaux tels que le stress, l'infection et les traumatismes physiques. Beaucoup de traits comportementaux qui caractérisent les troubles psychiatriques ne peuvent pas être reproduits chez la souris, il sera donc nécessaire d'utiliser d'autres espèces animales comme des modèles.

La génomique psychiatrique a le potentiel de conduire à de nouvelles stratégies de diagnostic qui vous aideront à la détection des maladies mentales avant que les symptômes cliniques manifestes, et la détermination de leur trajectoire ultérieure. De plus, ce domaine contribuera au développement de (idéalement, personnalisé et,) des traitements à base de nouvelles preuves pour les troubles psychiatriques. Compte tenu de la prévalence des troubles psychiatriques, cela aura des conséquences importantes pour la société.

Les expériences clés d’interrogation que les facteurs environnementaux peuvent provoquer des signaux épi génétiques ont été menées à l'Institut Max Planck de psychiatrie où les souris ont été exposées à un traumatisme postnatale. Cela a entraîné des changements persistants du comportement de la dépression comme causées par altération méthylation de l' ADN et la régulation positive de l' activité du gène de la vasopressine un facteur causal connu de la dépression

Sciences des matériaux biologiques

Les matériaux biomimétiques la science puise son inspiration dans les structures naturelles pour synthétiser de nouveaux matériaux avec des fonctionnalités améliorées. Les modèles multi-échelles et des techniques de caractérisation sont des outils puissants pour l'étude des structures et des processus hiérarchiques dans les matières biologiques à une gamme d'échelles de longueur et de temps. De nouveaux concepts de biomatériaux émergeront par la compréhension de l'interaction entre les matériaux et les systèmes biologiques au niveau cellulaire.

Les matériaux biologiques science est un nouveau champ à l'interface de la science des matériaux et de la biologie. Historiquement, les domaines de la biologie structurale et de la physiologie ont eu tendance à négliger les approches matériaux scientifiques lors d'enquêtes sur la matière biologique. Cependant, y compris des études de physique (mécanique, optique et / ou magnétique) propriétés des matériaux, et la façon dont ils répondent à l'évolution des facteurs environnementaux, offre des possibilités d'améliorer la compréhension des processus biologiques tels que la croissance des tissus, l'auto-réparation, la détection et la motilité cellulaire.

L'émergence de matériaux biologiques science est due, en partie, à l'avènement de la médecine régénérative, comme cette discipline a besoin de biomatériaux qui interagissent avec le corps d'une manière spécifique et prévisible. En parallèle, le développement de nouvelles technologies signifie que les chercheurs ont maintenant les outils pour étudier, plus en détail, la structure et les propriétés physiques des matériaux biologiques, que ce soit des cellules, des échantillons de tissus ou d'organes complets. Cette connaissance peut être utilisée pour concevoir de nouveaux matériaux «intelligents» qui peuvent, par exemple, l'auto-assembler, l'auto-réparation et / ou d'évoluer, et d'enquêter sur la façon dont ces biomatériaux interagissent avec les systèmes biologiques. Puisant son inspiration dans les processus naturels, la recherche est de trouver d'autres moyens plus efficaces de synthèse de matériaux organiques.

BIOMIMETIQUE

La création de nouvelles familles de matériaux basés sur des systèmes biologiques - synthèse de matériaux biomimétiques - implique beaucoup plus que des structures simplement copient observées dans la nature. Les chercheurs ont également besoin d'apprécier les principes de construction utilisés dans leur construction. Ceci, à son tour, exige une compréhension approfondie de la relation entre la structure et la fonction.

Un domaine où cette approche a déjà été couronnée de succès est la minéralisation biomimétique. Biominéraux, comme la nacre, ont généralement des propriétés supérieures à créer artificiellement des matériaux avec une composition similaire. Les matériaux scientifiques ont découvert que biominéraux ne sont pas formés par le procédé de cristallisation classique, mais plutôt commencer par nanoparticules organisées unités de construction couplées avec des précurseurs amorphes ou même liquides. En se fondant sur les éléments de cette voie alternative, il est possible de faire une série de structures complexes cristallines de synthèse. En utilisant cette stratégie d'ingénierie de la nacre en laboratoire a donné une matière synthétique qui était pratiquement impossible à distinguer de la véritable biominéral.

MULTI-ÉCHELLE MODÉLISATION ET STRUCTURE

Dans de nombreux cas, les propriétés mécaniques extraordinaires des matériaux biologiques sont liés à leur structure hautement hiérarchisée en couches ou .La résistance à la rupture élevée des éponges de verre de haute mer est un bon exemple: les faisceaux de fibres de verre sont tissés comme dans un panier, en offrant une résistance mécanique; que, à plus petite échelle, chaque fibre est composée de couches concentriques de silice et d' une matrice organique, ce qui réduit considérablement la fragilité .

La relation entre la structure et les propriétés hiérarchique d'un matériau peut être exploré dans des modèles multi-échelles. Ces outils puissants permettent le comportement d'un matériau à être modélisée sur une gamme d'échelles de longueur et des périodes de temps. Les modèles peuvent être validés en comparant les résultats prévus avec des données expérimentales à chaque échelle d'intérêt, donnant un aperçu des principes généraux de la conception matérielle. Une approche multi-échelle est également utile lors de la simulation de la formation de certains matériaux biologiques que l'auto-organiser à de nombreux niveaux différents. Les protéines membranaires, par exemple, comptent sur ce processus d'auto-assemblage complexe pour leur grande flexibilité.

La science biomimétique promet d'être une valeur considérable pour les futurs défis de conception de matériel, que ce soit pour les biomatériaux ou d'autres applications mécaniques. Le développement d'électrodes à haute performance pour les batteries au lithium modernes est un bon exemple. Les matériaux choisis comme des électrodes de batterie sont souvent poreuses. Ce type de structure est favorisé car il fournit une grande surface pour des réactions d'échange d'électrons. Cependant, le motif de la porosité de ces matériaux est généralement réguliers ou parfois aléatoires - arrangements qui peuvent limiter le mouvement des électrons. La structure hiérarchique des pores des systèmes biologiques offre une façon similaire de grande surface, mais une résistance minimale à transporter. Dans le poumon, par exemple, quelques litres d'air peuvent être échangés en quelques secondes.

De nouveaux matériaux synthétiques conçus selon ce principe de porosité hiérarchisée montrent prometteurs comme électrodes de la batterie, en fonction de leur capacité de stockage et le taux de charge / décharge. Cela pourrait avoir des implications importantes pour le développement de batteries rechargeables pour les ordinateurs portables ou d'autres appareils mobiles.

VERS DE NOUVELLES CLASSES DE BIOMATÉRIAUX

Contrairement à des matériaux naturels, les biomatériaux peuvent inclure des composites synthétiques de haute performance. Les matériaux fonctionnels inorganiques peuvent être combinés avec des éléments organiques, par exemple , les polyélectrolytes et les monocouches auto-assemblées peuvent servir de modèles pour les protéines, les peptides, les acides aminés et les polysaccharides, l' ADN pour créer des biomatériaux à base d' oxyde ayant des propriétés mécaniques supérieures .

Savoir comment ces biomatériaux interagissent avec les systèmes biologiques est une autre ligne de recherche importante. Un changement subtil aux propriétés physiques ou chimiques d'un matériau peut faire une énorme différence pour la croissance des cellules, il est en contact avec. Cela est particulièrement important si le matériau doit être utilisé dans des applications cliniques, le génie biomédical ou même le contrôle de l'encrassement biologique. La probabilité que des cellules qui adhèrent à la surface d'un matériau peut par exemple dépendre des écartements de dimensions nanométriques entre les sites de liaison possibles ou la présence d'autres facteurs tels que les récepteurs d'intégrine, qui jouent un rôle important dans l'adhésion à une matrice extra-cellulaire par génération de force, traduire des signaux mécaniques en signaux biochimiques et communiquant avec les récepteurs des facteurs de croissance 

la science biomimétique est inspiré non seulement par des matériaux naturels, mais aussi par des processus naturels. Les systèmes moléculaires actifs, tels que le transport intracellulaire et la réponse à des stimuli mécaniques, pourraient servir d’inspiration pour les dispositifs micromécaniques pour la conversion d'énergie, d’actionnement et / ou des applications de laboratoire sur puce .De même, les processus bio-géologiques stimulent nouvelle recherche, y compris la formation en laboratoire de charbon ou de matériaux dérivés de carbone à partir de déchets de la biomasse. De telles réactions sont effectuées à des températures élevées et reposent sur des catalyseurs pour produire des rendements qui seraient impossibles dans la nature. De nombreuses utilisations ont été proposées pour les structures de carbone synthétiques résultant, allant de conditionneurs de sol et des filtres d'eau aux matériaux hybrides haut de gamme pour les batteries au lithium . Une approche bio-géo-mimétique est, en outre, être utilisé pour identifier de capture et de stockage du carbone des solutions, ainsi que les piles à combustible qui n'émettent du dioxyde de carbone.

Il est possible de développer des matériaux multifonctionnels biologiques avec des structures hiérarchiques plus complexes à l'aide d'un point de vue des matériaux. Comprendre comment les matériaux et les cellules interagissent permettra un meilleur contrôle sur l'ingénierie tissulaire, et de contribuer à de nouvelles thérapies régénératives et des solutions de stockage d'énergie.

Moules marines utilisent byssus pour la fixation sur les roches dans les habitats balayées par les vagues. Des chercheurs de l'Institut Max Planck des colloïdes et interfaces avec des collègues de l'Université de Californie à Santa Barbara ont montré qu'une distribution inhomogène de liaisons transversales dans la cuticule de ces fils fournit à la fois l’extensibilité et la résistance à l’abrasion. Cette découverte pourrait aider à développer de nouveaux concepts pour les revêtements polymères

Perception, apprentissage et la mémoire

La perception, l'apprentissage et la mémoire sont des processus interconnectés contrôlés par l'activité coordonnée des molécules, les synapses, les cellules et les réseaux de neurones dans le cerveau. Bien que nous sachions beaucoup sur l'activité des neurones et des synapses individuelles, nous savons beaucoup moins sur la façon dont ces composants interagissent. Les techniques de Neuroscience doivent évoluer pour réaliser une nouvelle ère de réseaux multidisciplinaires de recherche l'étude des éléments en interaction.

Le cerveau humain est un organe très complexe façonné par des centaines de millions d'années d'évolution. Il a évolué pour détecter des modèles significatifs, d'apprendre, de mémoriser et de rappeler, et d'adapter. Nos réseaux de neurones peuvent produire et décoder les signaux de communication, extrait et processus fonctionnalités utiles de l'environnement, et de produire des comportements innés vitaux tels que l'alimentation, la fuite et l'accouplement. Étonnamment, cette auto assemble spécialisé structure, de plus en plus d'une cellule à des dizaines de milliards, et chaque cerveau en développement intègre les préjugés cachés en forme par la sélection naturelle, et les moyens avec lesquels se sculptent tout au long de sa durée de vie que l'individu rencontre de nouvelles expériences et sensations.

BASICS BRAIN

Figue. 1 Communication Neuron le

complexe, la ramification des dendrites

d'un neurone de culture  peuvent  être

visualisés par l' étiquetage

Notre cerveau contient des milliards de neurones, qui sont des cellules spécialisées qui traitent et transmettent des informations, et sont disposés dans des circuits cellulaires complexes. Ces cellules communiquent par l’intermédiaire de synapses, qui sont des jonctions qui permettent le transfert d'informations chimiques ou électriques d'un neurone à l'autre (fig. 1).

Les neurones sont le type cellulaire le plus diversifié dans le corps. Ils sont généralement polarisés avec des projections spécialisés pour les recevoir (dendrites) et le relais (axones) information (Fig. 2). Les neurones sensoriels convertissent des stimuli externes tels que la lumière, un son ou de pression, en signaux électriques, tandis que les neurones moteurs utilisent des signaux électriques pour commander les muscles. Un troisième, plus abondant, le type de neurone se situent entre ces entrées et sorties.

Les cellules non-neuronales, appelées cellules gliales, jouent un rôle fondamental dans le développement, le soutien et la plasticité des circuits neuronaux; cependant, les neurones et leurs synapses restent au centre de recherche sur l'apprentissage et la mémoire. Les changements dans l'activité neuronale et la force synaptique sont pensés pour soutenir l'apprentissage et la mémoire. En outre, la perte neuronale et les dysfonctionnements synaptiques ont été impliqués dans divers troubles neurologiques impliquant des déficits d'apprentissage et de mémoire.

PERCEPTION DÉSAGRÉGATION, APPRENTISSAGE ET MÉMOIRE

Figue. 2  Structure de Neuron.Neurones

(marqué ici avec une protéine de marqueur

fluorescent-tagged rose) communiquer les

uns avec les 

En dépit des efforts intenses pour comprendre la perception, l'apprentissage et la mémoire, il y a encore d'énormes lacunes dans nos connaissances. Nous avons encore à identifier les mécanismes neuronaux qui sous-tendent la perception. Des millions de neurones dans les réseaux de structures diverses activent pour que nous percevons même le plus simple des objets, et à démêler les circuits neuronaux qui sont responsables est pas un mince exploit.

La perception et la mémoire sont intimement liés entre eux - la perception d'un objet serait vide de sens sans la capacité de se rappeler et de le relier à des mémoires correspondant. Bien que la perception, la formation de la mémoire et le rappel sont susceptibles de compter sur des mécanismes et des substrats reliés entre eux, nous avons encore à les comprendre pleinement, ou de déchiffrer les effets du sommeil, l'attention et d'autres processus mal compris sur l'apprentissage et la mémoire.

Nous savons que la mémoire est un processus dynamique spatialement et temporellement. Comme les souvenirs sont stockés et consolidés, ils sont décalés d'une partie du cerveau à l’autre dans un processus qui peut prendre des semaines et semble dépendre de l’activité du cerveau au cours de certaines phases du sommeil. Les protéines liées à la mémoire, les synapses, les neurones et les réseaux neuronaux sont également dynamiques. Neurones meurent au large dans le cadre du vieillissement normal, mais pour la plupart, nous ne remarquons aucun changement. Les protéines sont constamment recyclés et remplacés, et de nouvelles protéines sont nécessaires pour l’apprentissage et la mémoire de se produire . Alors, comment peut quelques souvenirs restent stables quand tant des composants sous-jacents sont en constante évolution?

CARTOGRAPHIE LE CERVEAU

L'étude de la perception, l'apprentissage et la mémoire offre des défis et des possibilités de recherche beaucoup. Notre boîte à outils moyens techniques, il est désormais possible de cataloguer et de décrire les constituants du cerveau et de ses circuits neuronaux - une étape essentielle vers la compréhension du cerveau. Tout ce qui est nécessaire est le temps et optimisé des méthodes pour aider à gérer d'énormes ensembles de données.

Le développement de la microscopie électronique série à haute résolution, la microscopie de super-résolution de lumière  et des outils génétiques multicolores pour l' étiquetage des neurones , et l'abordabilité accrue d' une immense puissance de calcul, permettent d'imaginer un jour où la matrice de connexion d'un petit -à-moyennes cerveau (peut-être celle d'une mouche ou une souris) sera connue avec un degré raisonnable de précision. Cet effort nécessite la capacité à gérer d'énormes ensembles de données, et une approche multidisciplinaire intégrant la biologie moléculaire, la génétique, l'électrophysiologie, l'imagerie, l'électronique, les nanotechnologies, les mathématiques, l'informatique et de la dynamique non linéaire. Il multipliera un nouveau type de coopération entre les domaines de la science qui ont souvent travaillé séparément.

LA MISE EN RÉSEAU NEURALE

Figue. 3 Les niveaux de compréhension. 

Les images de résonance magnétique peuvent

Actuellement  résoudre  certaines  structures

cérébrales

Un défi majeur pour les neurosciences modernes est d'expliquer la perception et le comportement en termes d'activité neuronale. Compte tenu de la taille du cerveau, le nombre de neurones et la nature distribuée de l’activité neuronale, il est de plus en plus clair que les méthodes traditionnelles donneront des résultats limités. Patch serrage, par exemple, peut enregistrer l'activité des cellules individuelles à haute résolution, mais ne nous dit rien de la façon dont ces cellules contribuent à de plus grands circuits. Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle offre une vue d’ensemble de l’activité cérébrale sur une grande échelle, mais n'a pas la résolution de révéler l'activité des neurones individuels (Fig. 3).

On connaît le fonctionnement des neurones et des synapses individuelles, mais beaucoup moins sur leur action coordonnée dans les ensembles de millions. Le cerveau tire sa magie d’une activité coordonnée sur la grande échelle et un degré élevé de spécialisation sur la petite échelle.

>> Une grande partie est connu du fonctionnement des neurones et des synapses individuelles, mais beaucoup moins sur leur action coordonnée dans les ensembles de millions.

Les réseaux, les neurones et les constituants moléculaires doivent être étudiés en combinaison plutôt que dans l'isolement, et les techniques expérimentales utilisées traditionnellement pour étudier les éléments individuels doivent évoluer dans ce sens. Une nouvelle approche implique des commutateurs génétiques activés par la lumière qui contrôlent l'activité des neurones, des populations discrètes spécifiques. Cette technique - 'optogénétique' - porte déjà ses fruits et on pense que ces études permettront de révéler la fonction des cellules dans le cadre des circuits neuronaux.

L'activité neuronale doit être échantillonnée à une échelle intermédiaire: celle des réseaux d'éléments en interaction. Plutôt que d'étudier une poignée de cellules dans une poignée d'animaux, des études devraient se concentrer sur le niveau de la population, avec la densité d'échantillonnage élevée et les animaux mobiles. Ce sera techniquement difficile, et se fondera sur les développements majeurs dans les domaines de l'optique, la microélectronique, la nanoélectronique et de l'informatique.

Les récompenses seront grandes. Décrypter les bases neurales de la perception, l'apprentissage et de la mémoire est un élément fondamental de la compréhension du fonctionnement du cerveau dans la santé, le vieillissement et la maladie. Les taquineries à part les mécanismes contributifs pourrait nous offrir la possibilité d'influencer et d'améliorer ces plus humain des compétences.

Le comportement dynamique et coordonnée des neurones dans le cerveau peut être détecté dans les oscillations du cerveau qui se produisent à une variété de fréquences (par exemple, 2 à 200 Hz). Une étude récente menée par des chercheurs de l'Institut Max Planck pour la recherche sur le cerveau a révélé que lorsque les neurones liés à la mémoire dans le feu du cerveau de manière synchrone avec les ondes cérébrales à la fréquence thêta (2-8 Hz) pendant l’apprentissage, les souvenirs qui en résultent sont plus forts que si cette synchronisation ne se produit pas