Jos tutkijat pystyvät selvittämään aivot, auttaako se parantamaan kaikkia sairauksia, hallitsemaan tunteita, hallitsemaan muistoja ja tuottamaan ideoita tietokoneen tavoin?
Neurotieteilijä Ed Boyden puhui aivotutkimuksen mahdollisuuksista, mitä ihminen voi saavuttaa, kun hän oppii hallitsemaan hermosoluja, ja miksi epäonnistuneille hankkeille pitäisi antaa toinen tai jopa kolmas mahdollisuus. Theory and Practice julkaisee haastattelun käännöksen.
”Luo jatkuvasti uusia ideoita. Älä lue sitä ajattelematta. Kommentoi, muotoile, reflektoi ja yleistä, vaikka luet esipuhetta. Joten yrität aina ymmärtää asioiden ytimen, jota tarvitaan luovuudelle."
Ed Boyden kirjoitti kerran lyhyen ohjeellisen esseen "How to Think", ja yllä olevasta kappaleesta tuli hänen sääntönsä numero 1. Hän oli 28-vuotias, hän perusti oman neurotieteen tutkimusryhmän MIT: ssä ja on jo julkaissut osan tutkimuksestaan, joka ansainnut hänelle arvostetun Brain-palkinnon auttamisesta saavuttamaan”väitetysti tärkein tekninen läpimurto 40 vuodessa”, tuomariston puheenjohtaja sanoi. Se oli melkein kymmenen vuotta sitten. Hänen ajatusten generointijärjestelmä näyttää täyttäneen odotukset. Boyden sai viime vuonna 3 miljoonan dollarin läpimurtopalkinnon, ja hän ja hänen kollegansa löysivät uuden tavan havaita aivojen melkein käsittämättömästi pieni sähköpiiri. Tämä on tuottanut aivojen tarkimpia kuvia.
- Sanot usein, että tavoitteesi on "aivojen purkaminen". Mitä sinulla on mielessäsi?
- Uskon, että tämän lauseen merkitys muuttuu, kun saadaan uutta tietoa, mutta nyt”aivojen purkaminen” merkitsee ensinnäkin sitä, että ensinnäkin voimme simuloida (todennäköisesti tietokoneen avulla) prosesseja, jotka tuottavat jotain ajatuksia ja tunteet, ja toiseksi, että ymmärrämme kuinka hoitaa aivosairauksia, kuten Alzheimerin tauti tai epilepsia. Nämä ovat kaksi tavoitetta, jotka pitävät minua eteenpäin. Yksi keskittyy ihmisluonnon ymmärtämiseen, toinen on enemmän lääketieteellistä.
Voit kiistellä kanssani huomaamalla, että on olemassa kolmas kysymys: mikä on tietoisuus? Miksi meillä on muistoja, mutta pullot, kynät ja pöydät, sikäli kuin tiedämme, eivät? Pelkään, että meillä ei ole vielä tarkkaa määritelmää tietoisuudesta, joten tätä asiaa on vaikea lähestyä. Meillä ei ole "tietoisuuden mittaa", joka osoittaisi kuinka tietoinen jotain on. Luulen, että päästämme sinne joskus, mutta keskipitkällä aikavälillä haluaisin keskittyä kahteen ensimmäiseen kysymykseen.
”Miksi tiedämme niin paljon maailmasta? On melko outoa, että ymmärrämme yleisen painovoiman tai kvantimekaniikan lakia"
Mainosvideo:
- Kun voitit Läpimurto-palkinnon vuonna 2016, puhuit jatkuvista aivotutkimustesi ponnisteluistasi:”Jos onnistumme, voimme vastata kysymyksiin, kuten” Kuka minä olen? Mikä on persoonallisuuteni? Mitä minun pitäisi tehdä? Miksi olen täällä?". Kuinka tutkimus voi auttaa meitä vastaamaan kysymykseen "Kuka minä olen?"
- Annan sinulle esimerkin. Kun talouskriisi iski vuonna 2008, puhuin monille siitä, miksi ihmiset tekevät mitä tekevät. Miksi monet päätöksistämme eivät ole parhaimpia päätöksiä, joita voimme tehdä? Tietysti on olemassa koko tiedeala - käyttäytymistalous, joka yrittää selittää toimintamme psykologisella ja kognitiivisella tasolla. Esimerkiksi, jos kysyt ihmiseltä paljon kysymyksiä ja sitten hän kävelee makeiskulhon ohi, hän todennäköisesti vie muutaman, koska hän on kyllästynyt vastauksiin eikä pysty vastustamaan.
Käyttäytymistalous voi selittää joitain asioita, mutta se ei voi selittää prosesseja, jotka ovat päätöksenteon taustalla, ja vielä vähemmän, joitain alitajuntaan liittyviä hetkiä, joita meillä ei ole lainkaan hallintaa. Huomaa, että kun olemme tietoisia jostain, se johtuu usein tajuttomista prosesseista, jotka tapahtuivat juuri ennen sitä. Joten jos ymmärrämme kuinka aivosolut on järjestetty piiriksi (käytännössä tietokonepiireksi, jos haluat), ja näkisimme kuinka tieto virtaa näiden verkkojen läpi ja muuttuu, meillä olisi paljon selkeämpi käsitys siitä, miksi aivomme hyväksyvät tietyt ratkaisut. Jos ymmärrämme tämän, voimme ehkä ylittää joitain rajoituksista ja ainakin ymmärtää, miksi teemme sen, mitä teemme.
Voit kuvitella, että hyvin kaukaisessa tulevaisuudessa (se vie todennäköisesti useita vuosikymmeniä) pystymme esittämään todella vaikeita kysymyksiä siitä, miksi suhtautumme tiettyihin asioihin tavalla tai toisella tai miksi ajattelemme itsemme tietyllä tavalla - kysymyksiä, jotka ovat psykologian, filosofian näkökenttä, mutta johon on niin vaikea saada vastausta fysiikan lakien avulla.
- Kuinka aivotutkimus auttaa vastaamaan kysymykseen "Miksi olen täällä?"
- Yksi syy siihen, miksi siirtyin fysiikasta aivojen tutkimiseen, oli kysymys "Miksi tiedämme niin paljon maailmasta?" On tarpeeksi outoa, että ymmärrämme painovoimalakia tai ymmärrämme kvanttimekaniikan - ainakin siinä määrin kuin tietokoneita voidaan tehdä. On hämmästyttävää, että maailma on jollain tavalla ymmärrettävää.
Ja kysyin itseltäni: jos aivomme ymmärtää jotakin osaa maailmankaikkeuden rakenteesta, mutta ei ymmärrä kaikkea muuta, ja kaikki, mitä se ymmärtää, on saatavana fysiikan lakien ansiosta, joihin myös aivomme työ perustuu, niin osoittautuu noidankehän kaltaiseksi, eikö niin? Ja yritän selvittää: kuinka rikkoa se? Kuinka tehdä maailmankaikkeudesta ymmärrettävää? Oletetaan, että emme ymmärrä jotain maailmankaikkeudesta, mutta jos tiedämme kuinka ihmismieli toimii ja millaisia ajatteluominaisuuksia meiltä puuttuu, voimme ehkä luoda kehittyneemmän tekoälyn, joka auttaa vahvistamaan ajattelukykyämme.
Tätä käsitettä kutsun toisinaan "aivojen kopioprosessoriksi" - jotain, joka toimii aivojen kanssa ja laajentaa ymmärrystämme.
Meillä on vielä paljon kysymyksiä maailmankaikkeudelle, eikö niin? Einstein yritti löytää yhteyden kvanttimekaniikan ja painovoiman välillä, mutta hän ei onnistunut tässä asiassa, ja tänä päivänä ei ole täysin selvää, kuinka tämä ongelma ratkaistaan. Ehkä ymmärtääksemme joitain asioita, meidän on lisättävä älyllisiä kykyjämme. Mitä tapahtuu, jos laajennamme niitä? Tietysti ei ole mitään takeita. Mutta ehkä me opimme lisää maailmankaikkeuden alkuperästä, siitä, mitkä voimat vaikuttivat siihen olemassaolon alussa ja mitkä vaikuttavat nyt.
- Viimeinen aihe aiheesta. Kuinka aivotutkimus auttaa vastaamaan kysymykseen "Mikä on persoonallisuuteni?"
”Yritämme juuri nyt aivojen rakennetta kartoittaa. On melko vaikeaa nähdä jotain siinä. Itse aivot ovat riittävän suuret - ihminen painaa useita kiloja -, mutta synapsit-nimeltään neuronien väliset yhteydet ovat pienet. Tässä puhutaan nanomittakaavasta. Siksi, jos haluat nähdä kuinka aivosolut ovat kytketty verkkoon, sinun on harkittava synapsia. Kuinka voin tehdä tämän? Olemme kehittäneet erityisen tekniikan. Otamme palan aivokudosta ja ruiskutetaan siihen kemikaalia, tarkemmin sanoen polymeeriä, joka on jollain tavalla hyvin samanlainen kuin vauvavaipat. Se on polymeeri, joka turpoaa, kun nestettä lisätään.
Jos sijoitamme sen aivojen sisälle ja lisäämme vettä, niin pystymme siirtymään aivojen muodostavien molekyylien toisistaan ja näemme sitten pienet yhteydet solujen välillä. Joten syytä: jos otamme hyvin pienet aivot, esimerkiksi kala tai mato, voimmeko tutkia sitä kokonaisuudessaan? Pystymmekö kuvaamaan koko hermostoa yksittäisten hyppääjien tarkkuudella? Nyt tämä on idean tasolla, toteutukseen ei ole vielä tarvittavia tekniikoita, mutta jos onnistumme parantamaan teknistä osaa, voitaisiin laatia riittävän yksityiskohtainen kartta aivojen yhteyksistä, jonka mukaan sen työ voidaan toistaa tietokoneella. Ja toimiiko tämä kopio samalla tavalla kuin organismin aivot, joista tuli ensisijainen lähde?
Kuvittele, että meillä oli mato, jolla oli 302 neuronia, ja havaitsimme niiden välillä noin 6000 yhteyttä ja molekyylejä risteyksissä. Voiko tämän madon toimia simuloida? Sitten ehkä on mahdollista tehdä sama kalan, sitten hiiren ja sitten ihmisen aivojen kanssa - jokainen näistä aivoista on noin tuhat kertaa suurempi kuin edellinen. Jos pystyisit kartoittamaan ihmisen aivot, nousee heti esiin kysymys: jos toistat sen toiminnan tietokoneella, olisiko se silti sinä? Kuten aikaisemmin todettiin, meillä ei ole tarkkaa tai ainakaan toimivaa tietoisuutta määritelmästä, joten vaikka emme voi arvioida tätä laatua pelkästään jotain tarkastelemalla, emme voi vielä antaa vastausta, sanoisin. Mutta tämä herättää mielenkiintoisen kysymyksen persoonallisuuden luonteesta.
"Jos ymmärrämme kuinka aivosolut on organisoitu piireiksi ja näemme kuinka informaatio virtaa näiden verkkojen läpi, ehkä voisimme ymmärtää, miksi teemme mitä teemme."
- Noin kymmenen vuotta sitten kirjoitit esseen "Miten ajatella". Onko sinulla sittemmin ollut muutoksia tai lisäyksiä näihin sääntöihin?
”Kirjoitin tämän esseen melko nopeasti, kun aloitimme MIT: n tutkimusryhmän kanssa ja vietin suurimman osan ajasta tyhjään huoneeseen odottaen laitteiden saapumista. Sittemmin olen kokemuksen kautta oppinut noudattamaan näitä sääntöjä parhaiten. Esimerkiksi sääntö nro 3 sanoo: "Taaksepäin tavoitteeltasi."
Siitä hetkestä lähtien tajusin, että jos työskentelet lähtökohtana ratkaistava ongelma ja tapaat ihmisiä, joilla on jonkin verran taitoja ja jotka perustuvat kykyjään, sinun on erittäin helppoa työskennellä yhdessä, koska kaikki osapuolet ovat kiinnostunut tästä. Osaamisen haltijat haluavat enemmän vaikutusvaltaa ja ongelmanratkaisua, ja tavoitteen asettajat haluavat uusia työkaluja näiden ongelmien ratkaisemiseksi. Siksi sääntö nro 3, "Työskentele taaksepäin, tavoitteeltasi lähtien" johtaa luonnollisesti säännökseen nro 6 - "Tee yhteistyötä". Opiskelin myös analysoimaan ongelmien luonnetta. Tänä vuonna luennoin lyhyen luennon Davosissa pidetyssä World Economic Forum -tapahtumassa. Sitä kutsuttiin vallankumouksen valmistelemiseksi, ja se koski kuinka oppia syventymään ongelmiin ja tekemään mahdollisia ratkaisuja. Se oli jotain How Think 2.0: ta, mutta videon muodossa.
- Mitkä kirjat ovat vaikuttaneet henkiseen kehitykseesi eniten?
- Yksi niistä on Jonathan Weinerin "Aika, rakkaus, muisti". Hän puhuu aikoista, jolloin ihmiset alkoivat yhdistää geenejä käyttäytymisen ominaisuuksiin. Kirjailija alkaa genetiikan aikakauden alkaessa - kun ihmiset huomasivat, että röntgenkuvat muuttavat geenejä - ja päättyy nykyaikaisuuteen, kun tutkijat selvittävät, mitkä geenit ovat vastuussa esimerkiksi aikatunnostamme tai kyvystämme muistaa. Rakastan tätä kirjaa, koska se näyttää tiedettä liikkeessä - ei kuin oppikirja, "sinulla on seitsemänkymmentäkahdeksankymmentäkahdeksan, muista ne" - se näyttää epävarmuudesta kärsiville ihmisille, jotka selviävät kaikenlaisista vaikeuksista, ja se on erittäin jännittävää. Olen lukenut sitä joka vuosi ja se vaikutti minuun suuresti.
Toisen kirjan nimi on Thinking About Science. Hän puhuu fysiikasta Max Delbrückistä, joka muutti toiminta-alueensa biologiaksi. Hän antoi suuren panoksen geenien rakenteen löytämiseen ja auttoi aloittamaan uuden aikakauden molekyylibiologiassa. Kirja kertoo paljon hänen näkemyksistään, kuinka hän harkitsi siirtymistään fysiikasta biologiaan. Tämä kirja on vaikuttanut suuresti myös elämääni, koska ajattelen usein, kuinka tutkia monimutkaisia järjestelmiä kuten aivot, kuinka selvittää asian todellinen tilanne, miten päästä eroon lähentämisestä eikä pysähtyä puoliväliin.
- Mainitsit tekeväsi muistiinpanoja jatkuvasti. Mikä tämä järjestelmä on?
- Kun puhun jonkun kanssa, laitan paperin pöydälle ja teen yhteenvedon keskustelusta. Lopussa otan kuvia puhelimen muistiinpanoista ja annan arkin keskustelukumppanilleni. Joka kuukausi käyn läpi kaikki nämä tiivistelmät ja merkitsen ne avainsanoilla. Tähän on kaksi syytä. Ensinnäkin, koska olen keskittynyt keskusteluun uudelleen, se auttaa minua muistamaan sen. Toiseksi, koska olen valinnut avainsanat, se on helppo löytää. Tähän mennessä olen jo tehnyt kymmeniä tuhansia sellaisia muistiinpanoja.
- Työsi ehdottaa, että vietät paljon aikaa ajatteluun. Kuinka saavuttaa parhaat tulokset?
- On kolme kohtaa, käytännöllisestä abstraktiin. Olen noussut hyvin aikaisin jo pitkään. Yritän nousta kello 4-5 aamulla, paljon aikaisemmin kuin muut laboratorion henkilökunnat. Tämän ansiosta minulla on muutama tunti hiljaisuutta ajatella ja olla häiritsemättä mistään. Mielestäni tämä on tärkeää. Toiseksi, monet hyvät ideat ovat todella huonoja, koska koska ne kuulostavat heti niin hyvältä, niin kaikki ovat jo ajatelleet niitä ja pyrkivät toteuttamaan ne. Siksi mietin usein asioita, jotka ensi silmäyksellä tuntuvat huonoilta ideoilta, mutta yhtäkkiä, jos tarkastellaan niitä oikealta katsottuna, ne osoittautuvat hyviksi? Vietän paljon aikaa yrittäessään lähestyä ideoita eri näkökulmista.
Vuosikymmeniä sitten tähtitieteilijä Fritz Zwicky loi monia teorioita, jotka ovat nykyään astrofysiikan kuumimpia. Merkittävin nykyisistä ideoista, kuten tumma aine, hän esitti 1930-luvulla. Kuinka Zwicky teki tämän? Hän vain harkitsi kaikkia mahdollisia vaihtoehtoja. Zwicky kutsui menetelmäänsä "morfologiseksi analyysiin", mutta minusta tuntuu, että tätä on mahdotonta lausua, joten kutsun sitä "mosaiikkipuukaavaksi".
Lopuksi - ja tämä kohta on vielä abstraktimpi - uskon sattuman löytöihin. Vietän paljon aikaa etsiessään vanhojen keskustelujen otteita. Monet heistä koskevat ideoita, jotka ovat epäonnistuneet, hankkeet ovat epäonnistuneet. Mutta tiedätkö mitä? Se oli viisi vuotta sitten, ja nyt tietokoneet toimivat nopeammin, uutta tietoa on ilmestynyt, maailma on muuttunut. Siksi voimme käynnistää projektin uudelleen. Monet pyrkimyksistämme menestyvät täysin toisessa tai kolmannessa kokeessa. Tärkeä osa työtäni on epäonnistumisten muistaminen ja epäonnistuneiden projektien uudelleen käynnistäminen, kun aika tulee.
- Sait tärkeimmät palkinnot optogenetiikan tutkimuksesta. Miksi hänestä on tullut niin tärkeä saavutus?
”Kun puhut optogenetiikasta, meidän on muistettava, että” opto”tarkoittaa” kevyttä”ja” genetiikka”tarkoittaa, että käytämme geenejä, jotka tekevät kaiken työn. Esittelet geenin, joka toimii kuin pieni aurinkokenno - lähinnä molekyyli, joka muuttaa valon sähköksi. Siksi, jos lisäät sen neuroniin ja ohjaat sitä valoon, voit hallita neuronin toimintaa.
Miksi se on tärkeää? Viimeisen sadan vuoden ajan neurologian tutkimisesta monet ihmiset ovat yrittäneet hallita neuroneja käyttämällä kaikkia mahdollisia tekniikoita: farmakologiaa (lääkkeitä), sähköisiä impulsseja ja niin edelleen. Mutta mikään niistä ei takaa tarkkuutta. Optogenetiikan avulla voimme ohjata valoa yhteen soluun tai useampaan soluun ja "kytkeä päälle" tai "sammuttaa" nämä tietyt solut. Joten miksi tämä on tärkeää? Jos pystyt aktivoimaan solut, voit selvittää mistä ne ovat vastuussa. Ehkä tunne tai päätös, tai liike. "Sammuttamalla" heidät ymmärrät, mikä niiden toiminta on: ehkä "sammutat" tietyt solut, ja henkilö menettää jonkinlaisen muistin.
- Optogenetiikkaa käytetään nykyään aivojen tutkimukseen laboratorioissa ympäri maailmaa. Mitkä ovat siihen lupaavimmat alueet, korostatteko?
- Jotkut tutkijat tekevät kokeita, jotka ovat filosofisesta näkökulmasta melko haastavia. Esimerkiksi ryhmä tutkijoita Kalifornian teknillisestä instituutista löysi pienen solujen yhdistelmän syvälle, syvälle aivoihin. Jos aktivoit heidät valon avulla esimerkiksi hiirillä (monet työskentelevät heidän kanssaan), eläimistä tulee aggressiivisia, jopa julmia. He hyökkäävät mihin tahansa olentoon tai esineeseen välittömässä läheisyydessä, jopa joitain satunnaisia asioita, kuten hansikas. Tämä on erittäin mielenkiintoista, koska nyt voit kysyä kysymyksiä sarjasta “Mitä tapahtuu, kun ärsytät näitä soluja? Lähettääkö tämä motorisen komennon lihaksille? Toisin sanoen siirtyykö hiiri hyökkäykseen? Vai onko se aistillinen komento?
Eli hiiri pelkää ja hyökkää itsepuolustuksessa? Voit kysyä todella tärkeitä kysymyksiä kokeen tarkoituksesta, kun osa aivoista laukaisee monimutkaisen reaktion, kuten aggression tai julmuuden.
On joukko tutkijoita, jotka työskentelevät hermostoaktiivisuuden aktivoimiseksi tai hiljentämiseksi aivojen eri osissa lääketieteellisiin tarkoituksiin. Esimerkiksi ryhmä tutkijoita, jotka osoittivat epilepsiasta kärsivillä hiirillä, että voit "sammuttaa" kohtaukset toimimalla tietyille soluille. On muitakin ryhmiä, jotka ovat tutkineet hiiriä, joilla on Parkinsonin tauti ja jotka ovat kyenneet vapauttamaan eläimet taudin oireista.
Tutkijat ovat löytäneet myös paljon mielenkiintoisia asioita perustieteissä. MIT-kollegani Suzumi Tonegawa ja hänen tutkijaryhmänsä tekivät jotain erittäin fiksua: he ohjelmoivat hiiret siten, että muistista vastaavat neuronit aktivoituvat valolla. He havaitsivat, että jos aktivoit nämä neuronit uudelleen valopulssilla, hiiri käyttäytyy ikään kuin se antaa muistin uudelleen. Tällä tavalla on mahdollista tunnistaa soluryhmät, jotka saavat muistin esiin muistissa. Siitä lähtien tutkijat ovat suorittaneet kaikenlaisia kokeita - esimerkiksi, ne voivat aktivoida onnellisen muistin, ja hiiri tuntuu paremmalta, vaikka se olisi sairas. Ja luettelo jatkuu.
"Monista pyrkimyksistämme tulee melko menestyviä vasta toisella tai kolmannella yrityksellä."
- Onko sinulla uusia ajatuksia elämän parantamiseksi?
”Tajusin, että jos todella haluan aivoteknologian soveltuvan kaikkialle maailmaan, minun on osallistuttava yrittäjänä, toisin sanoen, aloitettava yritys ja autettava näitä keksintöjä menemään akateemisten piirien ulkopuolella. Laboratorioni on työskennellyt aiemmin erilaisten yritysten kanssa, mutta osallistun itse tänä vuonna kolmen käynnistämiseen. Toivottavasti voimme selvittää, kuinka nämä tekniikat voivat auttaa ihmisiä. Tajusin, että en halunnut julkaista vain tieteellisiä artikkeleita; Haluan, että näitä tekniikoita käytetään tosielämässä.
”Yksi näistä yrityksistä on aivojen voimaantumisen tekniikassa, eikö niin?
-Tarkalleen. Perustimme pienen yrityksen nimeltä Expansion Technologies kouluttaaksemme maailmaa näistä voimaantumisteorioista. Tietysti ihmiset voivat tutkia itsenäisesti tätä aihetta koskevia julkaisujamme, mutta jos voimme tuoda ideamme joukkoihin, niin monia tieteellisiä ja lääketieteellisiä ongelmia on paljon helpompi ratkaista.
Minun on sanottava heti, että kaikki tutkimustiedot löytyvät verkosta, jaamme avoimesti kaiken tiedon. Olemme kouluttaneet yli sata tutkijaryhmää. Haluttaessa kuka tahansa voi itse suorittaa samanlaisen mikroskooppisen tutkimuksen. Mutta toisin kuin optogenetiikassa, jossa voit aina kääntyä jonkin voittoa tavoittelemattoman organisaation puoleen saadakseen DNA: ta ilmaiseksi tai rahalla, tämä tutkimus vaatii kemikaalien saatavuuden, joten yritys, joka asettaa tarvittavien reagenssisarjojen kenelle tahansa, säästää aikaa.
Yritämme aina lisätä positiivista vaikutusta maailmaan. Aloitamme projektin usein ajattelemalla: "Mistä ongelmasta tuhannet tutkijat, yritykset ja yliopistot kärsivät?" Ja sitten yritämme luoda työkalun, joka voisi auttaa heitä. Joten jos onnistumme, niin (käytännössä määritelmän mukaan) ei ole mitään syytä pitää sitä salassa ja itsellemme. Yritämme vain jakaa työkalumme mahdollisimman monien ihmisten kanssa.