Hvis forskere kan finne ut hjernen, vil det hjelpe å kurere alle sykdommer, håndtere følelser, kontrollere minner og generere ideer som en datamaskin?
Nevrovitenskapsmannen Ed Boyden snakket om utsiktene til hjerneforskning, hva en person kan oppnå hvis han lærer å kontrollere nevroner, og hvorfor mislykkede prosjekter bør gis en ny eller til og med en tredje sjanse. Theory and Practice publiserer en oversettelse av intervjuet.
“Generer stadig nye ideer. Ikke les den uten å tenke på. Kommenter, formuler, reflekter og generaliser, selv om du leser forordet. Så du vil alltid strebe etter å forstå essensen i ting, som er det som trengs for kreativitet."
Ed Boyden skrev en gang et kort instruksjonsessay "How to Think", og avsnittet ovenfor ble hans regel nummer 1. Han var 28 år gammel, han startet sin egen forskningsgruppe for nevrovitenskap ved MIT og har allerede publisert noe av forskningen sin, som ga ham den prestisjetunge hjerneprisen for å ha bidratt til å oppnå "uten tvil det viktigste tekniske gjennombruddet på 40 år," sa juryformannen. Det var nesten ti år siden. Idégenereringssystemet hans ser ut til å ha levd opp til forventningene. Boyden mottok en gjennombruddspris på 3 millioner dollar i fjor, og han og kollegene oppdaget en ny metode for å observere en nesten utenkelig liten elektrisk krets i hjernen. Dette har produsert noen av de mest nøyaktige bildene av hjernen.
- Du sier ofte at målet ditt er å "løsne hjernen." Hva har du i tankene?
- Jeg tror betydningen av denne frasen vil endre seg etter hvert som ny kunnskap oppnås, men nå "å avdekke hjernen" for meg betyr at vi for det første kan simulere (mest sannsynlig ved å bruke en datamaskin) prosesser som vil generere noe som tanker og følelser, og for det andre at vi kan forstå hvordan vi kan behandle hjerneforstyrrelser som Alzheimers eller epilepsi. Dette er to mål som får meg til å komme videre. Den ene fokuserer på å forstå menneskets natur, den andre er mer medisinsk.
Du kan krangle med meg ved å legge merke til at det er et tredje spørsmål: hva er bevissthet? Hvorfor har vi minner, men flasker, penner og bord, så vidt vi vet, ikke? Jeg er redd for at vi ennå ikke har en eksakt definisjon av bevissthet, så dette problemet er vanskelig å nærme seg. Vi har ikke et "mål på bevissthet" som skulle indikere hvor bevisst noe er. Jeg tror vi kommer til det en dag, men på mellomlang sikt ønsker jeg å fokusere på de to første spørsmålene.
“Hvorfor vet vi så mye om verden? Det er ganske rart at vi kan forstå loven om universell gravitasjon eller kvantemekanikk."
Salgsfremmende video:
- Da du vant gjennombruddsprisen i 2016, snakket du om din pågående innsats for hjerneforskning: “Hvis vi lykkes, kan vi svare på spørsmål som 'Hvem er jeg? Hva er min personlighet? Hva burde jeg gjøre? Hvorfor er jeg her?". Hvordan kan forskning hjelpe oss med å svare på spørsmålet "Hvem er jeg?"
- Jeg skal gi deg et eksempel. Da den økonomiske krisen rammet i 2008, snakket jeg med mange om hvorfor folk gjør det de gjør. Hvorfor er ikke mange av beslutningene våre de beste beslutningene vi kan ta? Selvfølgelig er det et helt vitenskapsfelt - atferdsøkonomi, som prøver å forklare handlingene våre på et psykologisk og kognitivt nivå. For eksempel, hvis du stiller en person mange spørsmål, og så går han forbi en skål med søtsaker, vil han sannsynligvis ta noen få, fordi han er lei av svar og ikke kan motstå.
Atferdsøkonomi kan forklare noen ting, men det kan ikke forklare prosessene som ligger til grunn for beslutninger, og enda mindre, noen underbevisste øyeblikk som vi ikke har kontroll overhode. Legg merke til at når vi er klar over noe, er det ofte et resultat av ubevisste prosesser som skjedde rett før det. Så hvis vi forsto hvordan hjerneceller er organisert i en krets (praktisk talt en datakrets, hvis du vil), og så hvordan informasjon flyter gjennom disse nettverkene og endringene, ville vi ha en mye tydeligere ide om hvorfor hjernen vår godtar visse løsninger. Hvis vi forstår dette, kan vi kanskje overvinne noen av begrensningene og i det minste forstå hvorfor vi gjør det vi gjør.
Du kan tenke deg at i den fjerne fremtiden (det vil trolig ta mange tiår), vil vi kunne stille virkelig vanskelige spørsmål om hvorfor vi forholder oss til visse ting på en eller annen måte, eller hvorfor vi tenker på oss selv på en bestemt måte - spørsmål som er i synsfeltet for psykologi, filosofi, men som det er så vanskelig å få svar på ved hjelp av fysikkens lover.
- Hvordan hjelper forskning i hjernen med å svare på spørsmålet "Hvorfor er jeg her?"
- En av grunnene til at jeg byttet fra fysikk til å studere hjernen, var spørsmålet "Hvorfor vet vi så mye om verden?" Det er rart nok til at vi kan forstå gravitasjonsloven, eller at vi forstår kvantemekanikk - i det minste i den grad datamaskiner kan lages. Det er utrolig at verden er forståelig på noen måte.
Og jeg stilte meg et spørsmål: hvis hjernen vår forstår en del av universets struktur, men ikke forstår alt annet, og alt det den forstår er tilgjengelig takket være fysikkens lover, som hjernen vår også er basert på, så viser det seg noe som en ond sirkel, ikke sant? Og jeg prøver å finne ut: hvordan bryte det? Hvordan gjøre universet forståelig? Anta at vi ikke forstår noe om universet, men hvis vi vet hvordan menneskesinnet fungerer og hva slags tenkeevner vi mangler, kanskje vi kan lage en mer utviklet kunstig intelligens som vil bidra til å styrke vår evne til å tenke.
Dette konseptet kaller jeg til tider en "hjernecoprocessor" - noe som fungerer med hjernen og utvider vår forståelse.
Vi har fortsatt mange spørsmål til universet, ikke sant? Einstein prøvde å finne en forbindelse mellom kvantemekanikk og tyngdekraft, men han lyktes ikke med denne saken, og foreløpig er det ikke helt klart hvordan han skal løse dette dilemmaet. Kanskje for å forstå noen ting, må vi øke våre intellektuelle evner. Hva skjer hvis vi utvider dem? Selvfølgelig er det ingen garantier. Men kanskje vil vi lære mer om universets opprinnelse, om hvilke krefter som påvirket det i begynnelsen av eksistensen og hvilke som påvirker nå.
- Det siste spørsmålet om dette emnet. Hvordan hjelper hjerneforskning med å svare på spørsmålet "Hva er min personlighet?"
Akkurat nå prøver vi å kartlegge strukturen i hjernen. Det er ganske vanskelig å se noe i det. Hjernen i seg selv er stor nok - et menneske veier flere kilo - men forbindelsene mellom nevroner, kjent som synapser, er små. Her snakker vi om nanoskala. Derfor, hvis du vil se hvordan hjerneceller er koblet i et nettverk, må du vurdere synapser. Hvordan kan jeg gjøre dette? Vi har utviklet en spesiell teknikk. Vi tar et stykke hjernevev og injiserer et kjemikalie i det, mer presist en polymer, som på en måte er veldig lik stoffet i babybleier. Det er en polymer som sveller når væske tilsettes.
Hvis vi plasserer den inne i hjernen og tilfører vann, vil vi kunne flytte fra hverandre molekylene som utgjør hjernen, og da kan vi se de små forbindelsene mellom celler. Så vi grunner: Hvis vi tar en veldig liten hjerne, for eksempel en fisk eller en orm, kan vi studere den i sin helhet? Vil vi være i stand til å skildre hele nervesystemet med en nøyaktighet av individuelle hoppere? Nå er dette på et nivå, det er ingen nødvendige teknologier for implementering ennå, men hvis vi klarte å forbedre den tekniske delen, ville det være mulig å tegne opp et tilstrekkelig detaljert kart over tilkoblingene i hjernen, i henhold til hvilken det virkelig kan reproduseres ved hjelp av en datamaskin. Og vil denne kopien fungere på samme måte som hjernen til organismen, som ble den primære kilden?
Se for deg at vi hadde en orm med 302 nevroner og vi bemerket omtrent 6000 forbindelser mellom dem, samt molekyler i kryssene. Er det mulig å simulere handlingene til denne ormen? Da vil det kanskje være mulig å gjøre det samme med en fisk, deretter med en mus og deretter med en menneskelig hjerne - hver av disse hjerner er omtrent tusen ganger større enn den forrige. Hvis du kunne kartlegge den menneskelige hjernen, ville spørsmålet øyeblikkelig oppstå: Hvis du reproduserte aktiviteten på en datamaskin, ville det fortsatt være deg? Som nevnt tidligere, har vi ikke en eksakt eller i det minste en fungerende definisjon av bevissthet, så selv om vi ikke kan bedømme denne kvaliteten bare ved å se på noe, kan vi ennå ikke gi noe svar, vil jeg si. Men dette reiser et interessant spørsmål om personlighetens natur.
"Hvis vi forsto hvordan hjerneceller er organisert i kretsløp og så hvordan informasjon flyter gjennom disse nettverkene, kanskje vi kunne forstå hvorfor vi gjør det vi gjør."
- For omtrent ti år siden skrev du et essay "How to Think". Siden da, har du hatt noen endringer eller tillegg til disse reglene?
”Jeg skrev dette essayet ganske raskt da vi startet forskerteamet på MIT og tilbrakte mesteparten av tiden min i et tomt rom og ventet på at utstyret skulle komme. Siden den gang har jeg gjennom erfaring lært hvordan jeg best kan følge disse reglene. For eksempel sier regel 3: "Arbeid bakover fra målet ditt."
Fra det øyeblikket innså jeg at hvis du jobber med utgangspunkt i et problem som må løses, og du møter mennesker som har litt ferdigheter og som går videre fra sine evner, så vil det være veldig enkelt for deg å samarbeide, fordi alle sider er i interessert i dette. Dyktighetshavere ønsker mer innflytelse og problemløsning, og målsettere ønsker nye verktøy for å løse disse problemene. Derfor fører regel 3, "Arbeid bakover, med utgangspunkt i målet ditt" naturlig nok til regel # 6 - "Samarbeid". Jeg lærte også å analysere problemene. I år holdt jeg et kort foredrag på World Economic Forum i Davos. Den ble kalt “Forberedelse av en revolusjon”, og den lærte hvordan man lærer å dykke dypere i problemer og gjøre dem mulig å løse dem. Det var noe som How to Think 2.0, men i form av en video.
- Hvilke bøker har påvirket den intellektuelle utviklingen din mest?
- En av dem er "Time, Love, Memory" av Jonathan Weiner. Hun snakker om tidene da folk begynte å knytte gener til kjennetegn på atferd. Forfatteren begynner med begynnelsen av genetikken - da folk oppdaget at røntgenbilder forandrer gener - og slutter med moderniteten, når forskere finner ut hvilke gener som er ansvarlige for for eksempel vår tidsfølelse eller evnen til å huske. Jeg elsker denne boken fordi den viser vitenskap i bevegelse - ikke som en lærebok, "du har fakta syv til og med førtiåttende, husk dem," - den viser mennesker som lider av usikkerhet som overvinner alle slags vanskeligheter, og det er veldig spennende. Jeg pleide å lese den igjen hvert år, og det påvirket meg veldig.
Den andre boka heter Thinking About Science. Hun snakker om Max Delbrück, en fysiker som også endret sitt virkefelt til biologi. Han ga et stort bidrag til oppdagelsen av genstrukturen og bidro til å starte en ny epoke i molekylærbiologi. Boken forteller mye om hans synspunkter, om hvordan han vurderte overgangen fra fysikk til biologi. Denne boka har også hatt stor innflytelse på livet mitt, fordi jeg ofte tenker på hvordan jeg kan utforske komplekse systemer som hjernen, hvordan finne ut den virkelige tilstanden, hvordan bli kvitt tilnærming og ikke stoppe halvveis.
- Du nevnte at du stadig notater. Hva er dette systemet?
- Når jeg snakker med noen, legger jeg papir på bordet og lager et sammendrag av samtalen. På slutten tar jeg bilder av notatene på telefonen min og gir arket til samtalepartneren. Hver måned går jeg gjennom alle disse synopsene og merker dem med nøkkelord. Det er to grunner til dette. For det første, siden jeg har fordøyd samtalen på nytt, hjelper det meg å huske den. For det andre, siden jeg har valgt nøkkelordene, er det lett å finne det. Til dags dato har jeg allerede fullført titusenvis av slike notater.
- Arbeidet ditt tyder på at du bruker mye tid på å tenke. Hvordan oppnå maksimale resultater?
- Det er tre punkter, fra pragmatisk til abstrakt. Jeg har reist veldig tidlig på lenge. Jeg prøver å stå opp klokka 4-5 om morgenen, mye tidligere enn annet laboratoriepersonell. Takket være dette har jeg noen timers stillhet til å tenke og ikke bli distrahert av noe. Jeg tror dette er viktig. For det andre er mange gode ideer faktisk dårlige, fordi siden de umiddelbart høres så bra ut, så har alle allerede tenkt på dem og streber etter å implementere dem. Derfor tenker jeg ofte på ting som ved første øyekast virker som dårlige ideer, men plutselig, hvis du ser på dem fra riktig vinkel, viser de seg å være gode? Jeg bruker mye tid på å prøve å tilnærme meg ideer fra forskjellige vinkler.
For tiår siden skapte astronom Fritz Zwicky mange teorier som er blant de mest brennende innen astrofysikk i dag. Den mest aktuelle av de nåværende ideene, som mørk materie, la han frem på 1930-tallet. Hvordan gjorde Zwicky dette? Han vurderte bare alle mulige alternativer. Zwicky kalte metoden sin "morfologisk analyse", men det ser ut til at dette er umulig å uttale, så jeg kaller det "mosaikk-tresystem".
Til slutt - og dette poenget er enda mer abstrakt - tror jeg på tilfeldige funn. Jeg bruker mye tid på å se gjennom utskrifter av gamle samtaler. Mange av dem handler om ideer som har mislyktes, prosjekter har mislyktes. Men vet du hva? Det var for fem år siden, og nå jobber datamaskiner raskere, ny informasjon har dukket opp, verden har endret seg. Derfor kan vi starte prosjektet på nytt. Mange av våre bestrebelser blir bare fullt ut vellykket på andre eller tredje forsøk. En viktig del av jobben min er å huske feil og relansere mislykkede prosjekter når tiden kommer.
- Du mottok dine viktigste priser for forskning innen optogenetikk. Hvorfor har hun blitt en så viktig prestasjon?
"Når du snakker om optogenetikk, må vi huske at" opto "betyr" lett ", og" genetikk "betyr at vi bruker gener som gjør alt arbeidet. Du introduserer et gen som fungerer som en liten solcelle - egentlig et molekyl som konverterer lys til elektrisitet. Derfor, hvis du introduserer det i et nevron og direkte lyser mot det, kan du kontrollere nevronens aktivitet.
Hvorfor er det viktig? I løpet av de siste hundre årene av å studere nevrologi, har mange prøvd å kontrollere nevroner ved å bruke alle mulige teknologier: farmakologi (medisiner), elektriske impulser og så videre. Men ingen av dem garanterer nøyaktighet. Med optogenetikk kan vi lede lys til en enkelt celle eller flere celler og "slå på" eller "slå av" disse spesifikke cellene. Så hvorfor er dette viktig? Hvis du kan aktivere celler, kan du finne ut hva de er ansvarlige for. Kanskje for en følelse, eller en beslutning, eller en bevegelse. Ved å "slå av" dem, forstår du hva deres funksjon er: kanskje "slår du av" visse celler, og en person vil miste et slags minne.
- Optogenetikk brukes i dag til hjerneforskning i laboratorier over hele verden. Hva er de mest lovende områdene knyttet til det, fremhever du?
- Noen forskere gjennomfører eksperimenter som er ganske utfordrende fra et filosofisk synspunkt. For eksempel oppdaget en gruppe forskere ved California Institute of Technology en liten samling av celler dypt, dypt inne i hjernen. Hvis du aktiverer dem ved hjelp av lys, for eksempel hos mus (mange jobber med dem), vil dyrene bli aggressive, til og med grusomme. De vil angripe enhver skapning eller gjenstand i umiddelbar nærhet, til og med noen tilfeldige ting som en hanske. Dette er veldig interessant, for nå kan du stille spørsmål fra serien “Hva skjer når du irriterer disse cellene? Sender dette en motorisk kommando til musklene? Med andre ord, beveger musen seg for å angripe? Eller er det en sensorisk kommando?
Det vil si at musen er redd og angriper i selvforsvar? Du kan stille veldig viktige spørsmål om betydningen av et eksperiment når en region i hjernen din utløser en kompleks respons som aggresjon eller vold.
Det er en rekke forskere som jobber med å aktivere eller dempe nevral aktivitet i forskjellige deler av hjernen for medisinske formål. For eksempel en gruppe forskere, som viste hos mus som lider av epilepsi, at du kan "slå av" anfall ved å virke på visse celler. Det er andre grupper som har studert mus med Parkinsons sykdom og har vært i stand til å kvitte dyr med symptomene på sykdommen.
Forskere oppdager også mange interessante ting i grunnleggende vitenskaper. Min MIT-kollega Suzumi Tonegawa og hans forskerteam gjorde noe veldig smart: De programmerte musene slik at nevronene som var ansvarlige for minnet ble aktivert av lys. De fant ut at hvis du reaktiverer disse nevronene med en lyspuls, vil musen oppføre seg som om den gjenopplever et minne. På denne måten er det mulig å identifisere gruppene av celler som får minnet til å dukke opp i minnet. Siden den gang har forskere gjennomført alle slags eksperimenter - for eksempel kan de aktivere et lykkelig minne, og en mus vil føle seg bedre, selv om den er syk. Og listen fortsetter og fortsetter.
"Mange av våre bestrebelser blir bare ganske vellykkede i andre eller tredje forsøk."
- Har du noen nye tanker om hvordan du kan gjøre livet bedre?
”Jeg skjønte at hvis jeg virkelig vil at hjerneteknologier skal brukes over hele verden, så må jeg bidra som gründer, det vil si, starte en virksomhet og hjelpe disse oppfinnelsene til å gå utover de akademiske kretsene. Laboratoriet mitt har jobbet med forskjellige selskaper før, men i år deltar jeg selv i lanseringen av tre. Forhåpentligvis kan vi finne ut hvordan disse teknologiene kan hjelpe mennesker. Jeg innså at jeg ikke bare ville publisere vitenskapelige artikler; Jeg vil at disse teknologiene skal brukes i det virkelige liv.
“Et av disse selskapene er innen hjernestyrkende teknologi, ikke sant?
-Nøyaktig. Vi startet et lite selskap som heter Expansion Technologies for å utdanne verden om disse empowerment-teoriene. Selvfølgelig kan folk uavhengig studere publikasjonene våre om dette emnet, men hvis vi kan bringe ideene våre til massene, vil mange vitenskapelige og medisinske problemer være mye lettere å løse.
Jeg må si med en gang at alle forskningsdata kan bli funnet på nettet, vi deler åpent all informasjon. Vi har trent over hundre grupper av forskere. Om ønskelig kan hvem som helst foreta en lignende mikroskopisk undersøkelse selv. Men i motsetning til optogenetikk, hvor du alltid kan henvende deg til en ideell organisasjon for å skaffe DNA gratis eller for penger, krever denne forskningen tilgjengeligheten av kjemikalier, så et selskap som stiller sett med nødvendige reagenser tilgjengelig for alle, sparer tid.
Vi prøver bare alltid å øke den positive effekten på verden. Vi starter ofte et prosjekt med å tenke: "Hvilket problem lider tusenvis av forskere, bedrifter og universiteter av?" Og så prøver vi å lage et verktøy som kan hjelpe dem. Så hvis vi lykkes, er det (praktisk talt per definisjon) ikke noe poeng i å holde det hemmelig og for oss selv. Vi prøver bare å dele verktøyene våre med så mange mennesker som mulig.
