Kui teadlased suudavad aju välja mõelda, kas see aitab ravida kõiki haigusi, hallata tundeid, kontrollida mälestusi ja genereerida ideid nagu arvuti?
Neuroteadlane Ed Boyden rääkis aju-uuringute väljavaadetest, mida inimene võib saavutada, kui ta õpib neuroneid kontrollima, ja miks peaks läbikukkunud projektidele andma teise või isegi kolmanda võimaluse. Teooria ja praktika avaldavad intervjuu tõlke.
„Genereerige pidevalt uusi ideid. Ärge lugege seda mõtlemata. Kommenteerige, sõnastage, kajastage ja üldistage, isegi kui loete eessõna. Nii et püüate alati mõista asjade olemust, mis on loovuseks vajalik."
Ed Boyden kirjutas kunagi lühikese juhendava essee "Kuidas mõelda" ja ülaltoodud lõigust sai tema reegel nr 1. teenis talle maineka ajupreemia selle eest, et ta aitas saavutada „vaieldamatult kõige olulisema tehnilise läbimurde 40 aasta jooksul“, ütles žürii esimees. See oli peaaegu kümme aastat tagasi. Tema ideede genereerimise süsteem näib olevat ootustele vastanud. Boyden sai eelmisel aastal 3 miljoni dollari läbimurdeauhinna ning ta avastas koos kolleegidega uue meetodi ajus peaaegu kujuteldamatult pisikese elektriskeemi jälgimiseks. See on andnud aju kõige täpsemad pildid.
- Te ütlete sageli, et teie eesmärk on "aju lahti harutada". Mis sul mõttes on?
- Arvan, et selle fraasi tähendus muutub uute teadmiste saamisega, kuid nüüd tähendab minu jaoks aju lahti harutamine seda, et esiteks saame simuleerida (tõenäoliselt arvuti abil) protsesse, mis genereerivad midagi sellist nagu mõtted ja tunded ning teiseks, et me saaksime aru, kuidas ravida selliseid ajuhäireid nagu Alzheimeri tõbi või epilepsia. Need on kaks eesmärki, mis hoiavad mind edasi. Üks keskendub inimloomuse mõistmisele, teine on rohkem meditsiiniline.
Võite minuga vaielda, kui märkate, et on kolmas küsimus: mis on teadvus? Miks on meil mälestusi, aga pudeleid, pastakaid ja laudu, niipalju kui me teame, mitte? Ma kardan, et meil pole veel täpset teadvuse määratlust, seega on sellele küsimusele raske läheneda. Meil pole "teadvuse mõõtu", mis näitaks, kui teadlik miski on. Arvan, et jõuame selleni ühel päeval, kuid keskpikas perspektiivis tahaksin keskenduda kahele esimesele küsimusele.
“Miks me teame maailmast nii palju? See on üsna kummaline, et me saame aru universaalse gravitatsiooni või kvantmehaanika seadusest"
Reklaamvideo:
Kui võitsite 2016. aastal läbimurdeauhinna, rääkisite oma jätkuvatest jõupingutustest aju-uuringute alal: „Kui õnnestub, siis saame vastata küsimustele nagu„ Kes ma olen? Milline on minu isiksus? Mida ma peaksin tegema? Miks ma siin olen? ". Kuidas saavad uuringud aidata meil vastata küsimusele "Kes ma olen?"
- Ma toon teile näite. Kui 2008. aastal tabas majanduskriis, rääkisin paljudega sellest, miks inimesed teevad seda, mida nad teevad. Miks pole paljud meie otsused parimad otsused, mida võiksime teha? Muidugi on olemas terve teadusvaldkond - käitumisökonoomika, mis üritab selgitada meie tegevusi psühholoogilisel ja kognitiivsel tasandil. Näiteks kui esitate inimesele palju küsimusi ja siis ta kõnnib mööda kausitäit maiustusi, võtab ta tõenäoliselt mõne, sest on vastustest väsinud ega suuda vastu seista.
Käitumisökonoomika võib seletada mõnda asja, kuid see ei suuda seletada protsesse, mis on otsuste tegemise aluseks, ja veelgi vähem, mõnda alateadlikku hetke, mida meil pole üldse kontrolli all. Pange tähele, et kui oleme millestki teadlikud, on see sageli enne seda toimunud teadvuseta protsesside tulemus. Niisiis, kui me mõistaksime, kuidas ajurakud on ahelaks korraldatud (kui soovite, siis praktiliselt arvutiringiks), ja näeksime, kuidas teave nende võrkude kaudu voolab ja muutub, oleks meil palju selgem ettekujutus, miks meie aju aktsepteerib teatud lahendused. Kui me sellest aru saame, siis võib-olla suudame mõned piirangud ületada ja vähemalt mõista, miks me teeme seda, mida teeme.
Võite ette kujutada, et väga kauges tulevikus (see võtab ilmselt mitu aastakümmet) on meil võimalik esitada tõesti keerulisi küsimusi selle kohta, miks me seostame teatud asju ühel või teisel viisil või miks mõtleme iseendale teatud viisil - küsimused, mis asuvad psühholoogia, filosoofia vaateväli, kuid millele on füüsikaseaduste abil nii keeruline vastust saada.
- Kuidas aju-uuringud aitavad vastata küsimusele "Miks ma siin olen?"
- Üks põhjus, miks ma füüsikalt aju õppimisele üle läksin, oli küsimus "Miks me teame maailmast nii palju?" See on piisavalt kummaline, et me saame aru gravitatsiooniseadusest või kvantmehaanikast - vähemalt niivõrd, kuivõrd neid saab arvutitega teha. On hämmastav, et maailm on mingil moel arusaadav.
Ja ma küsisin endalt: kui meie aju mõistab mõnda Universumi struktuuri osa, kuid ei saa kõigest muud aru ja kõik, millest ta aru saab, on tänu füüsikaseadustele, millel põhineb ka meie aju töö, siis selgub midagi nõiaringi taolist, eks? Ja ma üritan aru saada: kuidas seda murda? Kuidas muuta universum arusaadavaks? Oletame, et me ei saa millestki Universumi kohta aru, kuid kui me teame, kuidas inimese mõistus töötab ja milliseid mõtlemisvõimeid meil napib, siis võib-olla suudame luua täiustatud tehisintellekti, mis aitab tugevdada meie mõtlemisvõimet.
Seda mõistet kutsun kohati "aju ühiseks protsessoriks" - midagi, mis töötab ajuga ja laiendab meie mõistmist.
Meil on universumi jaoks ikka veel palju küsimusi, eks? Einstein üritas leida seost kvantmehaanika ja gravitatsiooni vahel, kuid tal selles küsimuses ei õnnestunud ja tänapäevani pole täiesti selge, kuidas seda dilemmat lahendada. Võib-olla peame mõne asja mõistmiseks suurendama oma intellektuaalseid võimeid. Mis juhtub, kui laiendame neid? Muidugi pole garantiisid. Kuid võib-olla saame rohkem teada universumi päritolu kohta, selle kohta, millised jõud mõjutasid seda eksisteerimise alguses ja millised mõjutavad neid nüüd.
- Viimane küsimus sellel teemal. Kuidas aju-uuringud aitavad vastata küsimusele "Mis on minu isiksus?"
„Praegu proovime kaardistada aju struktuuri. Selles on üsna keeruline midagi näha. Aju ise on piisavalt suur - inimene kaalub mitu kilo -, kuid sünapsidena tuntud neuronite vahelised ühendused on pisikesed. Siin räägime nanoskaalast. Seega, kui soovite näha, kuidas ajurakud on võrgus ühendatud, peate kaaluma sünapsi. Kuidas ma saan seda teha? Oleme välja töötanud spetsiaalse tehnika. Võtame tüki ajukoe ja süstime sellesse kemikaali, täpsemalt polümeeri, mis on mingil moel väga sarnane beebimähkmete ainega. See on polümeer, mis vedeliku lisamisel paisub.
Kui asetame selle aju sisse ja lisame vett, siis suudame aju moodustavad molekulid lahku minna ja siis näeme rakkude vahelisi pisikesi seoseid. Niisiis, me mõtleme: kui võtame väga väikese aju, näiteks kala või ussi, kas me saame seda tervikuna uurida? Kas suudame kogu närvisüsteemi kujutada üksikute hüppajate täpsusega? Nüüd on see idee tasemel, rakendamiseks pole veel vajalikke tehnoloogiaid, kuid kui meil õnnestus tehnilist osa täiustada, oleks võimalik koostada piisavalt üksikasjalik kaart aju ühendustest, mille järgi saab selle tööd arvuti abil tõesti reprodutseerida. Ja kas see koopia töötab samamoodi nagu organismi aju, millest sai peamiseks allikaks?
Kujutage ette, et meil oli uss, millel oli 302 neuronit ja me märkasime nende vahel umbes 6 tuhat ühendust, samuti ristmike molekule. Kas on võimalik selle ussi tegevusi simuleerida? Siis on ehk võimalik sama teha kala, siis hiire ja siis inimese ajuga - igaüks neist aju on eelmisest umbes tuhat korda suurem. Kui saaksite inimese aju kaardistada, siis tekiks kohe küsimus: kui te reprodutseeriksite selle tegevust arvutis, kas see oleks ikkagi teie? Nagu varem öeldud, pole meil täpset või vähemalt toimivat teadvuse definitsiooni, nii et kuigi me ei oska seda kvaliteeti lihtsalt millegi vaatlemisega hinnata, ei saa me veel öelda vastust. Kuid see tõstatab huvitava küsimuse isiksuse olemuse kohta.
"Kui me mõistaksime, kuidas ajurakud on ahelateks jaotatud, ja näeksime, kuidas teave nende võrkude kaudu voolab, siis võiksime ehk mõista, miks me teeme seda, mida teeme."
- Umbes kümmekond aastat tagasi kirjutasite essee "Kuidas mõelda". Pärast seda on teil olnud nendesse eeskirjadesse muudatusi või täiendusi?
“Kirjutasin selle essee üsna kiiresti, kui alustasime MIT-i uurimisrühma loomist ja veetsin suurema osa ajast tühjas toas, oodates seadmete saabumist. Pärast seda olen kogemuste kaudu õppinud, kuidas neid reegleid kõige paremini järgida. Näiteks reegel nr 3 ütleb: "Töötage oma eesmärgi nimel tagasi".
Sellest hetkest mõistsin, et kui töötate probleemist, mis tuleb lahendada, ja kui kohtute inimestega, kellel on mingid oskused ja kes lähtuvad nende võimetest, on teil väga lihtne koos töötada, kuna kõik pooled asuvad sellest huvitatud. Oskuste omanikud soovivad rohkem mõjutada ja probleemide lahendamist ning eesmärkide seadjad soovivad uusi vahendeid nende probleemide lahendamiseks. Seetõttu viib reegel nr 3 "Töötage tagasi eesmärgi nimel" tagasi reegli nr 6 - "Tehke koostööd". Samuti õppisin analüüsima probleemide olemust. Sel aastal pidasin lühikese loengu Davosis toimuval ülemaailmsel majandusfoorumil. Seda hakati kutsuma revolutsiooni ettevalmistamiseks ja see seisnes selles, kuidas õppida süvenema probleemidesse ja võimalikke lahendusi leidma. See oli midagi How How Think 2.0 sarnast, kuid video kujul.
- Millised raamatud on teie intellektuaalset arengut kõige rohkem mõjutanud?
- Üks neist on Jonathan Weineri "Aeg, armastus, mälu". Ta räägib aegadest, mil inimesed hakkasid geene seostama käitumise tunnustega. Autor alustab geneetika ajastu koidikuga - kui inimesed avastasid, et röntgenikiirgus muudab geene - ja lõpeb modernsusega, kui teadlased selgitavad välja, millised geenid vastutavad näiteks meie aja tajumise või mäletamise võime eest. Ma armastan seda raamatut, kuna see näitab teaduse liikumist - mitte nagu õpik - "kui teil on seitsme kuni neljakümne kaheksanda fakte, pidage neid meeles" - see näitab ebakindluse all kannatavaid inimesi, kes ületavad igasuguseid raskusi, ja see on väga põnev. Ma lugesin seda igal aastal ja see mõjutas mind väga.
Teine raamat kannab nime Teadus. Ta räägib füüsikust Max Delbrückist, kes muutis ka oma tegevusala bioloogiaks. Ta andis suure panuse geenide struktuuri avastamisse ja aitas alustada uut ajastu molekulaarbioloogias. Raamat räägib palju tema seisukohtadest, sellest, kuidas ta mõtles oma üleminekut füüsikast bioloogiasse. See raamat on ka minu elu suuresti mõjutanud, sest mõtlen sageli, kuidas uurida keerulisi süsteeme nagu aju, kuidas asjade tegelikku seisu välja mõelda, kuidas lähenemisest lahti saada ja mitte poole peal peatuda.
- Mainisite, et teete pidevalt märkmeid. Mis see süsteem on?
- Kellegagi vesteldes panen lauale paberi ja teen vestlusest kokkuvõtte. Lõpus pildistan märkmeid oma telefonis ja annan lehe oma vestluskaaslasele. Igal kuul käin kõik need kokkuvõtted läbi ja märgistan need märksõnadega. Sellel on kaks põhjust. Esiteks, kuna ma olen vestluse uuesti läbi seedinud, aitab see mul seda meelde jätta. Teiseks, kuna olen valinud märksõnad, on seda lihtne leida. Tänaseks olen juba kümneid tuhandeid selliseid märkmeid täitnud.
- Teie töö soovitab veeta palju aega mõtlemisele. Kuidas saavutada maksimaalseid tulemusi?
- Siin on kolm punkti, pragmaatilisest abstraktseni. Olen juba pikka aega väga vara üles tõusnud. Püüan üles tõusta kell 4-5 hommikul, palju varem kui teised laboritöötajad. Tänu sellele on mul mõni tund vaikust, et mõelda ja mitte millestki häirida. Minu arvates on see oluline. Teiseks, paljud head ideed on tegelikult halvad, kuna kuna need kõlavad kohe nii hästi, siis on kõik juba nende peale mõelnud ja püüavad neid ellu viia. Seetõttu mõtlen sageli asjadele, mis esmapilgul tunduvad olevat halvad ideed, kuid äkki, kui neid õige nurga alt vaadata, osutuvad need heaks? Veedan palju aega erinevatele nurkadele ideedele lähenemisel.
Aastakümneid tagasi lõi astronoom Fritz Zwicky palju teooriaid, mis on tänapäeval astrofüüsikas kõige põletavamad. Praegustest ideedest kõige olulisem, nagu tumeaine, esitas ta 1930ndatel. Kuidas Zwicky seda tegi? Ta kaalus lihtsalt kõiki võimalikke võimalusi. Zwicky nimetas oma meetodit "morfoloogiliseks analüüsiks", kuid mulle tundub, et seda on võimatu hääldada, nii et ma nimetan seda "mosaiikpuu skeemiks".
Lõpuks - ja see punkt on veelgi abstraktsem - usun juhuslikesse avastustesse. Veedan palju aega vanade vestluste ärakirjade otsimisel. Paljud neist on seotud ideedega, mis on läbi kukkunud, projektid on läbi kukkunud. Aga teate mida? See oli viis aastat tagasi ja nüüd töötavad arvutid kiiremini, ilmunud on uut teavet, maailm on muutunud. Seetõttu võime projekti taaskäivitada. Paljud meie ettevõtmised saavad täielikult edukaks alles teisel või kolmandal katsel. Minu töö oluline osa on ebaõnnestumiste mäletamine ja ebaõnnestunud projektide taaskäivitamine, kui saabub aeg.
- Saite oma peamised auhinnad optogeneetika alal tehtud uurimistöö eest. Miks on temast saanud nii oluline saavutus?
“Kui räägite optogeneetikast, peame meeles pidama, et“opto”tähendab“valgust”ja“geneetika”tähendab, et me kasutame geene, mis teevad kogu töö. Tutvustate geeni, mis töötab nagu väike päikesepatarei - sisuliselt molekul, mis muundab valguse elektriks. Seega, kui sisestate selle neuronisse ja suunate sellesse valgust, saate kontrollida neuroni aktiivsust.
Miks see on oluline? Viimase saja aasta jooksul neuroloogia õppimise ajal on paljud inimesed proovinud neuroneid kontrollida kõigi võimalike tehnoloogiate abil: farmakoloogia (ravimid), elektrilised impulsid jne. Kuid ükski neist ei taga täpsust. Optogeneetika abil saame suunata valgust ühele või mitmele rakule ja neid konkreetseid rakke "sisse või välja lülitada". Miks see on oluline? Kui saate lahtrid aktiveerida, saate aru saada, mille eest nad vastutavad. Võib-olla tunde, otsuse või liikumise jaoks. Neid "välja lülitades" saate aru, mis on nende funktsioon: võib-olla "lülitate" teatud lahtrid välja ja inimene kaotab mingisuguse mälu.
- Optogeneetikat kasutatakse tänapäeval aju uurimiseks laborites üle kogu maailma. Millised on kõige lootustandvamad valdkonnad sellega seotud, kas rõhutate?
- Mõned teadlased viivad läbi eksperimente, mis on filosoofilisest küljest üsna keerulised. Näiteks avastas rühm California tehnikainstituudi teadlasi väikese rakkude kogumi sügaval, ajus. Kui aktiveerite neid valguse abil, näiteks hiirtel (paljud töötavad nendega), muutuvad loomad agressiivseks, isegi julmaks. Nad ründavad kõiki läheduses asuvaid olendeid või esemeid, isegi mõnda juhuslikku asja, näiteks kinnast. See on väga huvitav, sest nüüd saate esitada küsimusi sarjast “Mis juhtub, kui ärritate neid rakke? Kas see saadab lihastele motoorset käsku? Teisisõnu, kas hiir liigub rünnakule? Või on see sensoorne käsk?
See tähendab, et hiir kardab ja ründab enesekaitses? Kui ajuosa vallandab sellise keeruka reaktsiooni nagu agressioon või julmus, võite esitada tõeliselt olulisi küsimusi katse tähenduse kohta.
On mitmeid teadlasi, kes tegelevad närvisüsteemi aktiivsuse aktiveerimise või vaigistamisega aju erinevates osades meditsiinilistel eesmärkidel. Näiteks rühm teadlasi näitas epilepsia all kannatavatel hiirtel, et saate krampide "välja lülitada", toimides teatud rakkudele. On ka teisi rühmi, kes on uurinud Parkinsoni tõvega hiiri ja suutnud loomadest haiguse sümptomitest lahti saada.
Teadlased on ka fundamentaalteadustes avastanud palju huvitavat. Minu MIT-i kolleeg Suzumi Tonegawa ja tema uurimisrühm tegid midagi väga nutikat: nad programmeerisid hiired nii, et mälu eest vastutavad neuronid aktiveeriti valguse poolt. Nad leidsid, et kui aktiveerite need neuronid valguse impulsiga uuesti, käitub hiir justkui mälu abil. Sel moel on võimalik tuvastada rakurühmad, mis panevad mälu hüpikmenüüsse. Pärast seda on teadlased läbi viinud igasuguseid katseid - näiteks saavad need aktiveerida õnneliku mälu ja hiir tunneb end paremini, isegi kui see on haige. Ja nimekiri jätkub.
"Paljud meie ettevõtmistest saavad üsna edukaks alles teisel või kolmandal katsel."
- Kas teil on uusi mõtteid, kuidas elu paremaks muuta?
“Mõistsin, et kui ma tõesti tahan, et ajutehnoloogiaid rakendataks kogu maailmas, siis pean ettevõtjana oma panuse andma, st ettevõtlusega alustama ja aitama neil leiutistel akadeemilistest ringidest kaugemale jõuda. Minu labor on varem töötanud erinevate ettevõtetega, kuid sel aastal osalen ise kolme käivitamisel. Loodetavasti saame aru, kuidas need tehnoloogiad saavad inimesi aidata. Mõistsin, et ma ei taha avaldada ainult teaduslikke töid; Ma tahan, et neid tehnoloogiaid kasutataks päriselus.
„Üks neist ettevõtetest on ajude võimendustehnoloogia väljatöötamisel, kas pole?
- Täpselt. Alustasime väikest ettevõtet Expansion Technologies, et harida maailma nende võimendusteooriate teemal. Muidugi saavad inimesed iseseisvalt uurida meie selleteemalisi väljaandeid, kuid kui suudame oma ideed massidesse viia, on paljud teaduslikud ja meditsiinilised probleemid palju lihtsamini lahendatavad.
Pean kohe ütlema, et kogu uurimistöö andmeid saab veebist leida, me jagame avalikult kogu teavet. Oleme koolitanud üle saja teadlaste rühma. Soovi korral saab igaüks ise sarnase mikroskoopilise uuringu läbi viia. Kuid erinevalt optogeneetikast, kus saate alati tasuta või raha eest DNA saamiseks pöörduda mõne mittetulundusühingu poole, nõuab see uurimistöö kemikaalide olemasolu, nii et ettevõte, mis teeb vajalike reaktiivide komplektid kõigile kättesaadavaks, säästab aega.
Püüame alati kogu maailmas positiivset mõju suurendada. Alustame projekti sageli mõttega "Millist probleemi kannatavad tuhanded teadlased, ettevõtted ja ülikoolid?" Ja siis proovime luua tööriista, mis neid aidata saaks. Nii et kui meil see õnnestub, pole (praktiliselt määratluse järgi) mõtet seda saladuses hoida ja enda jaoks. Proovime lihtsalt jagada oma tööriistu võimalikult paljude inimestega.
