La neuroinformatica è un campo di ricerca concernente l'organizzazione dei dati delle ricerche nel campo delle neuroscienze tramite l'applicazione di modelli computazionali e strumenti analitici. Quest'area di ricerca è importante per l'integrazione e l'analisi di volumi di dati sempre più grandi. I neuroinformatici forniscono gli strumenti di calcolo, i modelli matematici e creano banche dati interoperabili per i medici e ricercatori. Il campo di ricerca delle neuroscienze è un campo eterogeneo, composto da molte e diverse sotto-discipline (ad esempio, psicologia cognitiva, neuroscienze comportamentali, genetica del comportamento, ecc.). Al fine di approfondire la nostra comprensione del cervello, è necessario che queste sotto-discipline siano in grado di condividere dati e risultati delle ricerche in modo significativo.
Descrizione La neuroinformatica si trova all'incrocio tra le neuroscienze e la scienza dell'informazione. Altri campi, come la genomica, hanno dimostrato l'efficacia dei database liberamente distribuiti e l'applicazione di modelli teorici e computazionali per la soluzione di problemi complessi. In neuroinformatica, queste strutture permettono ai ricercatori di confermare più facilmente le loro teorie di lavoro tramite la modellazione computazionale. Inoltre, la neuroinformatica promuove la ricerca collaborativa, un fatto importante che facilita l'interesse del campo nello studio della complessità multi-livello del cervello.
Ci sono tre principali direzioni in cui la neuroinformatica può essere applicata:
Lo sviluppo di strumenti e database per la gestione e la condivisione dei dati neuroscientifici a tutti i livelli di analisi; Lo sviluppo di strumenti per l'analisi e la modellazione dei dati neuroscientifici; Lo sviluppo di modelli computazionali del sistema nervoso e dei processi neurali.
Negli ultimi anni, dato che sono state raccolte da molti gruppi di ricerca grandi quantità di dati diversi sul cervello, è stato sollevato il problema di come integrare i dati provenienti da migliaia di pubblicazioni al fine di consentire ulteriori efficienti ricerche. I dati biologici e neuroscientifici sono altamente interconnessi e complessi, e di per sé rappresentano una grande sfida per gli scienziati.
La combinazione dell'informatica con la ricerca sul cervello offre vantaggi per entrambi i campi della scienza. Da un lato, l'informatica facilita l'elaborazione e la gestione dei dati delle ricerche neuroscientifiche, fornendo nuove tecnologie elettroniche ed il software necessario per la gestione dei database, dei modelli e della comunicazione nella ricerca sul cervello. Dall'altro, le nuove scoperte nel campo delle neuroscienze invocheranno lo sviluppo di nuove tecnologie dell'informazione (IT).
Storia A partire dal 1989, il National Institute of Mental Health (NIMH), il National Institute on Drug Abuse (NIDA) e la National Science Foundation (NSF) hanno fornito all'Institute of Medicine della National Academy of Sciences i fondi necessari per effettuare una attenta analisi e uno studio sulla necessità di creare banche dati, condividere dati neuroscientifici ed esaminare come il settore delle tecnologie dell'informazione potrebbe creare gli strumenti necessari per il crescente volume dei dati neuroscientifici. I rapporti furono pubblicati nel 1991 (Mapping The Brain And Its Functions. Integrating Enabling Technologies Into Neuroscience Research, National Academy Press, Washington, DC ed. Pechura, CM, e Martin, JB). Questo rapporto positivo abilitò il NIMH, ora diretto da Allan Leshner, a creare il progetto Human Brain (Human Brain Project, HBP), con le prime sovvenzioni concesse nel 1993. Il progetto Human Brain fu condotto da Stephen Koslow con la cooperazione di altri istituti NIH, la NSF, la National Aeronautics and Space Administration e il Department of Energy. Dal 1993 al 2004 questo programma ha ricevuto oltre 100 milioni di dollari in sovvenzioni.
Successivamente, Koslow perseguì la globalizzazione dell'HPG e della neuroinformatica attraverso l'Unione europea e l'Organizzazione per la cooperazione e lo sviluppo economico (OCSE).
Due particolari opportunità per la globalizzazione della Neuroinformatica avvennero nel 1996. La prima avvenne grazie all'esistenza della Commissione UE/USA sulla Ricerca Biotecnologica coordinata da Mary Clutter dell'NSF. Durante il mandato della commissione, della quale Koslow era un membro, venne creato il comitato europeo e statunitense sulla Neuroinformatica coordinato sempre da Koslow. Questo comitato risultò nel supporto iniziale della Commissione Europea per la Neuroinformatica nel Framework che ha continuato a sostenere attività di insegnamento e ricerca nella Neuroinformatica. La seconda opportunità avvenne quando fu chiesto ai governi partecipanti al Mega Science Forum (MSF) dell'OCSE se avessero delle iniziative scientifiche da portare avanti per la cooperazione scientifica nel mondo. L'Ufficio della Casa Bianca sulle Politiche Scientifiche e Tecnologiche chiese che le agenzie nel governo federale si fossero incontrate al NIH per decidere se fosse necessaria una cooperazione che potesse essere di beneficio al globo. Il NIH tenne una serie di incontri nel quale furono discusse proposte di diverse agenzie. La proposta raccomandata dagli Stati Uniti per il MSF fu una combinazione delle proposte del NIH e del NSF. Jim Edwards del NSD sostenne database e condivisione di informazioni nell'area delle biodiversità; Koslow propose l'HPG come un modello per condividere informazioni neuroscientifiche con il nuovo soprannome di Neuroinformatica.
Le due vicine iniziative furono combinate per formare la proposta americana su l'"Informatica Biologica". Questa iniziativa fu supportata dall'Ufficio della Casa Bianca sulle Politiche Scientifiche e Tecnologiche e presentata al MSF da Edwards e Koslow. Un comitato MSF sull'Informatica Biologica fu creato insieme a due sottocomitati: Biodiversità, con a capo James Edwards, e Neuroinformatica, con a capo Stephen Koslow. Dopo due anni, il sottocomitato sulla Neuroinformatica del Gruppo di Lavoro sulla Biologia pubblicò un documento che sosteneva uno sforzo globale in questo campo. Koslow lavorò con il NIH e l'Ufficio della Casa Bianca per stabilire a nuovo gruppo di lavoro per sviluppare dei consigli specifici per supportare quelli più generali del primo report. Il Forum Globale sulle Scienze (Global Science Forum, GSF, rinominato da MSF) dell'OCSE raccomandò quest'ultimo documento.
The International Neuroinformatics Coordinating Facility
Il comitato presentò 3 documenti ai governi membri del GSF. Questi documenti contenevano i seguenti consigli e linee guida:
Programmi Neuroinformatici nazionali avrebbero dovuto essere avviati o continuati in tutte le nazioni. Inoltre, avrebbe dovuto essere formato un organo per fornire risorse per la ricerca sia a livello nazionale che internazionale. Avrebbe dovuto essere creata una Struttura Internazionale di Coordinazione sulla Neuroinformatica, l'International Neuroinformatics Coordinating Facility (INCF). L'INCF avrebbe coordinato l'implementazione di una rete globale neuroinformatica attraverso l'integrazione dei singoli organi nazionali. Un nuovo schema di finanziamento internazionale avrebbe dovuto essere stabilito. Questo schema avrebbe eliminato barriere nazionali e burocratiche e avrebbe fornito un migliore avvicinamento alla ricerca collaborativa globale e alla condivisioni di dati. In questo nuovo schema, ogni nazione avrebbe dovuto finanziare i propri ricercatori partecipanti.
Il comitato GSF quindi sviluppò un piano economico per l'operazione, il supporto e la creazione dell'INCF che fu approvato dal direttore del GSF nell'incontro del 2004. Nel 2006, l'INCF fu creato ed i suoi uffici centrali furono posti nell'Istituto Karolinska, Stoccolma, Svezia, sotto la direzione di Sten Grillner. Sedici nazioni (Australia, Canada, Cina, Repubblica Ceca, Danimarca, Finlandia, Francia, Germania, India, Italia, Giappone, Paesi Bassi, Norvegia, Svezia, Svizzera, Regno Unito e Stati Uniti) e la Commissione Europea posero le basi legali per la creazione dell'INCF ed il Programma Internazionale di Neuroinformatica (PIN). Ad oggi, 14 paesi sono membri dell'INCF. Molte altre nazioni stanno lentamente entrando nell'accordo.
L'obiettivo dell'INCF è di coordinare e promorre attività internazionali in Neuroinformatica. L'INCF contribuisce allo sviluppo ed al mantenimento del datavase e dell'infrastruttura computazionale e supporta il meccanismo per le richieste di ricerca neuroscientifiche. Il sistema dovrebbe fornire libero accesso a tutte le informazioni sulla mente umana alla comunità internazionale di ricerca. Il compito più generale dell'INCF è di fornire le condizioni per sviluppare applicazioni convenienti e flessibili per laboratori neuroscientifici per aumentare la nostra conoscenza circa il cervello umano.
Society for Neuroscience Brain Information Group
Con la fondazione di tutte queste attività, Huda Akill, il presidente della Society for Neuroscience (SfN) creò il Brain Information Group (BIG) per capire e definire l'importanza della Neuroinformatica per la Neuroscienza ed in particolare per la SfN. Subito dopo la positiva valutazione dal BIG, la SfN fondò un comitato neuroinformatico.
Nel 2004, la SfN annunciò la creazione del NDG, il Neuroscience Database Gateway (NDG), una risorsa universale per i neuroscienziati attraverso il quale essi avrebbero potuto raggiungere qualsiasi database o strumento pubblicato internazionalmente. Il NDG fu fondato attraverso i fondi dal NIDA, NINDS e NIMH. Esso è ora nominato Neuroscience Information Framework ed è diventato un portale dinamico che dà accesso alle risorse del NDG includendo degli strumenti adatti al lavoro di ricerca come la ricerca di database multipli ed un portale dedicato alla letteratura scientifica sulle neuroscienze.
Collegamenti con altre discipline La Neuroinformatica si forma quando le seguenti discipline si incontrano: Neuroscienza Biologia Medicina Ingegneria Informatica Psicologia Sperimentale Fisica Matematica Chimica La Biologia si occupa delle informazioni a livello molecolare (Dai geni alle espressioni cellulari specifiche); la Medicina e l'Anatomia della struttura delle sinapsi e dei sistemi organici; l'Ingegneria di elettrofisiologia e neuroimaging; l'Informatica, la Fisica e la Matematica di modelli matematici e di progettazione software; la Chimica di neurotrasmettitori e così via. La Neuroscienza usa tutti i sopracitati studi teorici e sperimentali per studiare il cervello attraverso i suoi vari livelli. Biologi e medici aiutano ad identificare i tipi di cellule, le loro connessioni anatomiche ed i loro elementi. Le funzioni di complesse strutture e molecole organiche, inclusi una miriade di meccanismi biochimici, molecolari e genetici che regolano e controllano il funzionamento del cervello, sono determinate da chimici e biologi cellulari. La mappatura del cervello fornita da tecniche di neuroimaging determina le informazioni funzionali e strutturali interne al sistema nervoso durante attività mentali. Biofisici e psicologi studiano i processi fisici interni al network neurale.
I dati da questi campi di ricerca vengono analizzati e catalogati in database e modelli neurali per integrare i diversi elementi in sistemi più complessi. Questo è appunto il momento dove la Neuroinformatica incontra altre discipline. Le Neuroscienze forniscono i seguenti tipi di informazione sui quali essa questa disciplina opera: Informazioni molecolari e cellulari (canale ionico, potenziale d'azione, genetica, citologia dei neuroni, vie proteiche); Dati da organi e apparati (Corteccia Visiva, percezione, ascolto, sistema sensorio, dolore, gusto, sistema motorio, midollo spinale); Informazioni Cognitive (linguaggio, emozione, apprendimento motorio, tendenze sessuali, decision making, neuroscienze sociali);