Om forskare kan räkna ut hjärnan, kommer det att hjälpa till att bota alla sjukdomar, hantera känslor, kontrollera minnen och generera idéer som en dator?
Neurovetenskapsmannen Ed Boyden talade om möjligheterna till hjärnforskning, vad en person kan uppnå om han lär sig kontrollera neuroner och varför misslyckade projekt bör ges en andra eller till och med en tredje chans. Theory and Practice publicerar en översättning av intervjun.
“Generera hela tiden nya idéer. Läs inte det utan att tänka. Kommentera, formulera, reflektera och generalisera, även om du läser förordet. Så du kommer alltid att sträva efter att förstå essensen i saker, det är det som krävs för kreativitet."
Ed Boyden skrev en gång en kort instruktionsuppsats "Hur man tänker", och stycket ovan blev hans regel nummer 1. Han var 28 år gammal, han startade sin egen grupp för neurovetenskaplig forskning vid MIT och har redan publicerat en del av sin forskning, som fick honom det prestigefyllda hjärnpriset för att ha hjälpt till att uppnå”utan tvekan det viktigaste tekniska genombrottet på 40 år”, sa juryns ordförande. Det var nästan tio år sedan. Hans idégenereringssystem verkar ha uppfyllt förväntningarna. Boyden fick ett genombrottpris på 3 miljoner dollar förra året, och han och hans kollegor upptäckte en ny metod för att observera en nästan otänkbar liten elektrisk krets i hjärnan. Detta har producerat några av de mest exakta bilderna av hjärnan.
- Du säger ofta att ditt mål är att "ta bort hjärnan." Vad har du i åtanke?
- Jag tror att betydelsen av den här frasen kommer att förändras när ny kunskap uppnås, men nu "att avslöja hjärnan" för mig betyder att vi för det första kan simulera (troligen med hjälp av en dator) processer som kommer att generera något som tankar och känslor, och för det andra att vi kan förstå hur vi ska behandla hjärnstörningar som Alzheimers eller epilepsi. Det här är två mål som håller mig framåt. En fokuserar på att förstå människans natur, den andra är mer medicinsk.
Du kan argumentera med mig genom att märka att det finns en tredje fråga: vad är medvetande? Varför har vi minnen, men flaskor, pennor och bord, så vitt vi vet, inte? Jag är rädd för att vi ännu inte har en exakt definition av medvetande, så den här frågan är svår att närma sig. Vi har inte ett "mått på medvetande" som skulle indikera hur medvetet något är. Jag tror att vi kommer till det en dag, men på medellång sikt vill jag fokusera på de två första frågorna.
”Varför vet vi så mycket om världen? Det är ganska konstigt att vi kan förstå lagen om universell gravitation eller kvantmekanik"
Kampanjvideo:
- När du vann genombrottpriset 2016 talade du om dina pågående ansträngningar för hjärnforskning:”Om vi lyckas kan vi svara på frågor som" Vem är jag? Vad är min personlighet? Vad ska jag göra? Varför är jag här?". Hur kan forskning hjälpa oss att svara på frågan "Vem är jag?"
- Jag ska ge dig ett exempel. När den ekonomiska krisen inträffade 2008 talade jag med många om varför människor gör vad de gör. Varför är många av våra beslut inte de bästa besluten vi kan fatta? Naturligtvis finns det ett helt vetenskapsområde - beteendeekonomi, som försöker förklara våra handlingar på en psykologisk och kognitiv nivå. Om du till exempel ställer en person många frågor och sedan går förbi en skål med godis, kommer han förmodligen att ta några, eftersom han är trött på svar och inte kan motstå.
Beteendeekonomi kan förklara vissa saker, men det kan inte förklara de processer som ligger till grund för beslutsfattandet, och ännu mindre, några undermedvetna ögonblick som vi inte har någon kontroll alls. Lägg märke till att när vi är medvetna om något är det ofta resultatet av medvetslösa processer som hände precis före det. Så om vi förstod hur hjärnceller är organiserade i en krets (praktiskt taget en datakrets, om du vill), och såg hur information flyter genom dessa nätverk och förändringar, skulle vi ha en mycket tydligare idé om varför hjärnan accepterar vissa lösningar. Om vi förstår detta, kan vi kanske övervinna några av begränsningarna och åtminstone förstå varför vi gör vad vi gör.
Du kan föreställa dig att vi i en mycket avlägsen framtid (det kommer antagligen ta många decennier) kommer att kunna ställa riktigt svåra frågor om varför vi förhåller oss till vissa saker på ett eller annat sätt, eller varför vi tänker på oss själva på ett visst sätt - frågor som är i synfältet av psykologi, filosofi, men till vilket det är så svårt att få svar med hjälp av fysiklagarna.
- Hur hjälper hjärnforskning att svara på frågan "Varför är jag här?"
- En av orsakerna till att jag bytte från fysik till att studera hjärnan var frågan "Varför vet vi så mycket om världen?" Det är konstigt nog att vi kan förstå tyngdlagen eller att vi förstår kvantmekanik - åtminstone i den utsträckning datorer kan tillverkas. Det är fantastiskt att världen är förståelig på något sätt.
Och jag ställde mig en fråga: om vår hjärna förstår en del av universums struktur, men inte förstår allt annat, och allt den förstår är tillgängligt tack vare fysikens lagar, som vår hjärnans arbete också bygger på, visar det sig något som en ond cirkel, eller hur? Och jag försöker räkna ut: hur bryter jag det? Hur gör universum förståeligt? Anta att vi inte förstår något om universum, men om vi vet hur det mänskliga sinnet fungerar och vilken typ av tänkande förmågor vi saknar, kanske vi kan skapa en mer avancerad konstgjord intelligens som hjälper till att stärka vår förmåga att tänka.
Detta koncept kallar jag ibland en "hjärnsamarbetare" - något som fungerar med hjärnan och utvidgar vår förståelse.
Vi har fortfarande många frågor till universum, eller hur? Einstein försökte hitta en koppling mellan kvantmekanik och tyngdkraft, men han lyckades inte med den här saken, och till idag är det inte helt klart hur man löser detta dilemma. Kanske för att förstå vissa saker, måste vi öka våra intellektuella förmågor. Vad händer om vi utvidgar dem? Naturligtvis finns det inga garantier. Men kanske kommer vi att lära oss mer om universums ursprung, om vilka krafter som påverkade det i början av existensen och vilka som påverkar nu.
- Den sista frågan om detta ämne. Hur hjälper hjärnforskning att svara på frågan "Vad är min personlighet?"
”Just nu försöker vi kartlägga hjärnans struktur. Det är ganska svårt att se något i det. Hjärnan i sig är tillräckligt stor - en människa väger flera kilo - men kopplingarna mellan neuroner, känd som synapser, är små. Här talar vi om nanoskala. Om du vill se hur hjärnceller är anslutna i ett nätverk måste du därför överväga synapser. Hur kan jag göra detta? Vi har utvecklat en speciell teknik. Vi tar en bit hjärnvävnad och injicerar en kemikalie i den, mer exakt en polymer, som på något sätt är mycket lik substansen i babyblöjor. Det är en polymer som sväller när vätska tillsätts.
Om vi placerar den inuti hjärnan och lägger till vatten, kommer vi att kunna flytta isär molekylerna som utgör hjärnan, och då kan vi se de lilla kopplingarna mellan cellerna. Så vi resonerar: om vi tar en mycket liten hjärna, till exempel en fisk eller en mask, kan vi studera den i sin helhet? Kommer vi att kunna skildra hela nervsystemet med en noggrannhet av individuella hoppare? Nu är detta på en idénivå, det finns ingen nödvändig teknik för implementering än, men om vi lyckades förbättra den tekniska delen, skulle det vara möjligt att utarbeta en tillräckligt detaljerad karta över anslutningarna i hjärnan, enligt vilken dess arbete verkligen kan reproduceras med en dator. Och kommer denna kopia att fungera på samma sätt som hjärnan i organismen, som blev den primära källan?
Föreställ dig att vi hade en mask med 302 nervceller och vi noterade cirka 6 tusen förbindelser mellan dem, liksom molekyler i korsningarna. Är det möjligt att simulera handlingarna i denna mask? Då är det kanske möjligt att göra detsamma med en fisk, sedan med en mus och sedan med en mänsklig hjärna - var och en av dessa hjärnor är ungefär tusen gånger större än den tidigare. Om du kunde kartlägga den mänskliga hjärnan skulle frågan omedelbart uppstå: om du reproducerade dess aktivitet på en dator, skulle det fortfarande vara du? Som nämnts tidigare har vi inte en exakt eller åtminstone en fungerande definition av medvetande, så även om vi inte kan bedöma denna kvalitet helt enkelt genom att titta på något, kan vi ännu inte ge ett svar, skulle jag säga. Men detta väcker en intressant fråga om personlighetens natur.
"Om vi förstod hur hjärnceller är organiserade i kretsar och såg hur information flyter genom dessa nätverk, kan vi kanske förstå varför vi gör vad vi gör."
- För cirka ett decennium sedan skrev du en uppsats "Hur man tänker". Sedan dess har du haft några ändringar eller tillägg till dessa regler?
”Jag skrev den här uppsatsen ganska snabbt när vi startade forskarteamet på MIT och tillbringade större delen av min tid i ett tomt rum och väntade på att utrustningen skulle komma fram. Sedan dess har jag genom erfarenhet lärt mig hur jag bäst följer dessa regler. Till exempel säger regel nr 3: "Arbeta bakåt från ditt mål."
Från det ögonblicket insåg jag att om du arbetar utifrån ett problem som måste lösas, och du träffar människor som har vissa färdigheter och som går utifrån sina förmågor, så kommer det att vara mycket lätt för dig att arbeta tillsammans, eftersom alla sidor är i intresserad av detta. Färdighetsinnehavare vill ha mer inflytande och problemlösning, och målsättningsfolk vill ha nya verktyg för att lösa dessa problem. Därför leder regel 3, "Arbeta bakåt, med början från ditt mål" naturligtvis till regel nr 6 - "Samarbeta". Jag lärde mig också att analysera problemens natur. I år höll jag en kort föreläsning på World Economic Forum i Davos. Det kallades”Förbereda en revolution” och det lärde sig hur man kan lära sig att djupa djupare i problem och göra dem möjliga att lösa dem. Det var något som How to Think 2.0, men i form av en video.
- Vilka böcker har påverkat din intellektuella utveckling mest?
- En av dem är "Time, Love, Memory" av Jonathan Weiner. Hon talar om de tider då människor började associera gener med egenskaper hos beteende. Författaren börjar med gryningen av genetikens tid - när människor upptäckte att röntgenstrålar förändrar gener - och slutar med modernitet, när forskare räknar ut vilka gener som är ansvariga för till exempel vår känsla av tid eller förmågan att komma ihåg. Jag älskar den här boken eftersom den visar vetenskap i rörelse - inte som en lärobok, "du har fakta sju till fyrtioåttonde, kom ihåg dem" - den visar människor som lider av osäkerhet som övervinner alla typer av svårigheter, och det är väldigt spännande. Jag brukade läsa om det varje år och det påverkade mig starkt.
Den andra boken heter Thinking About Science. Hon talar om Max Delbrück, en fysiker som också ändrade sitt verksamhetsområde till biologi. Han gjorde ett stort bidrag till upptäckten av generens struktur och bidrog till början av en ny era i molekylärbiologi. Boken berättar mycket om hans åsikter, om hur han övervägde sin övergång från fysik till biologi. Den här boken har också starkt påverkat mitt liv, eftersom jag ofta tänker på hur man ska utforska komplexa system som hjärnan, hur man räknar ut det verkliga tillståndet, hur man blir av med tillnärmningen och inte stannar halvvägs.
- Du nämnde att du ständigt noterar. Vad är det här systemet?
- När jag pratar med någon lägger jag papper på bordet och gör en sammanfattning av konversationen. I slutet tar jag bilder av anteckningarna på min telefon och ger bladet till min samtalspartner. Varje månad går jag igenom alla dessa synopser och märker dem med nyckelord. Det finns två skäl till detta. Först, eftersom jag har smält igen konversationen, hjälper det mig att komma ihåg det. För det andra, eftersom jag har valt nyckelorden är det lätt att hitta det. Hittills har jag redan slutfört tiotusentals sådana anteckningar.
- Ditt arbete tyder på att du lägger mycket tid på att tänka. Hur uppnår du maximalt resultat?
- Det finns tre punkter, från pragmatisk till abstrakt. Jag har stått upp mycket tidigt länge. Jag försöker stå upp klockan 4-5 på morgonen, mycket tidigare än annan laboratoriepersonal. Tack vare detta har jag några timmars tystnad att tänka och inte bli distraherad av någonting. Jag tycker att detta är viktigt. För det andra är många bra idéer faktiskt dåliga, eftersom eftersom de omedelbart låter så bra, så har alla redan tänkt på dem och strävar efter att implementera dem. Därför tänker jag ofta på saker som vid första anblicken verkar som dåliga idéer, men plötsligt, om du tittar på dem från rätt vinkel, visar de sig vara bra? Jag spenderar mycket tid på att försöka närma mig idéer från olika vinklar.
För årtionden sedan skapade astronomen Fritz Zwicky många teorier som är bland de mest brinnande inom astrofysik idag. Den mest relevanta av de nuvarande idéerna, som mörk materia, lade han fram på 1930-talet. Hur gjorde Zwicky detta? Han övervägde bara alla möjliga alternativ. Zwicky kallade sin metod för "morfologisk analys", men det verkar för mig att detta är omöjligt att uttala, så jag kallar det "mosaik-träschema".
Slutligen - och den här punkten är ännu mer abstrakt - tror jag på slumpupptäckter. Jag spenderar mycket tid på att titta igenom utskrifter av gamla samtal. Många av dem handlar om idéer som har misslyckats, projekt har misslyckats. Men vet du vad? Det var för fem år sedan, och nu arbetar datorer snabbare, ny information har dykt upp, världen har förändrats. Därför kan vi starta om projektet. Många av våra ansträngningar blir bara helt framgångsrika i andra eller tredje försöket. En viktig del av mitt jobb är att komma ihåg misslyckanden och starta om misslyckade projekt när tiden kommer.
- Du fick dina främsta priser för forskning inom optogenetik. Varför har hon blivit en så viktig prestation?
"När du pratar om optogenetik, måste vi komma ihåg att" opto "betyder" lätt "och" genetik "betyder att vi använder gener som gör allt arbete. Du introducerar en gen som fungerar som en liten solcell - i huvudsak en molekyl som omvandlar ljus till elektricitet. Därför, om du introducerar den i en neuron och riktar ljuset mot den, kan du kontrollera neuronens aktivitet.
Varför är det viktigt? Under de senaste hundra åren av att studera neurologi har många försökt kontrollera neuroner med hjälp av all möjlig teknik: farmakologi (läkemedel), elektriska impulser och så vidare. Men ingen av dem garanterar noggrannhet. Med optogenetik kan vi rikta ljus till en enda cell eller flera celler och "slå på" eller "stänga av" dessa specifika celler. Så varför är detta viktigt? Om du kan aktivera celler kan du ta reda på vad de ansvarar för. Kanske för en känsla, eller ett beslut eller en rörelse. Genom att "stänga av" dem förstår du vad deras funktion är: kanske du "stänger av" vissa celler, och en person kommer att förlora något slags minne.
- Optogenetik används idag för hjärnforskning i laboratorier runt om i världen. Vilka är de mest lovande områdena med det, framhäver du?
- En del forskare gör experiment som är ganska utmanande ur en filosofisk synvinkel. Till exempel upptäckte en grupp forskare vid California Institute of Technology en liten pool av celler djupt, djupt i hjärnan. Om du aktiverar dem med hjälp av ljus, till exempel hos möss (många arbetar med dem), blir djuren aggressiva, till och med grymma. De kommer att attackera alla varelser eller objekt i omedelbar närhet, till och med några slumpmässiga saker som en handske. Det här är väldigt intressant eftersom du nu kan ställa frågor från serien Vad händer när du irriterar dessa celler? Skickar detta ett motoriskt kommando till musklerna? Med andra ord, rör sig musen för att attackera? Eller är det ett sensoriskt kommando?
Det vill säga musen är rädd och attackerar i självförsvar? Du kan ställa riktigt viktiga frågor om experimentets betydelse när en del av hjärnan utlöser en komplex reaktion som aggression eller grymhet.
Det finns ett antal forskare som arbetar med att aktivera eller tystna neural aktivitet i olika delar av hjärnan för medicinska ändamål. Till exempel en grupp forskare, som visade hos möss som lider av epilepsi, att du kan "stänga av" anfall genom att agera på vissa celler. Det finns andra grupper som har studerat möss med Parkinsons sjukdom och har kunnat befria djur från symtomen på sjukdomen.
Forskare upptäcker också mycket intressanta saker inom grundläggande vetenskaper. Min MIT-kollega Suzumi Tonegawa och hans forskargrupp gjorde något mycket smart: de programmerade mössen så att nervcellerna som är ansvariga för minnet aktiverades av ljus. De fann att om du reaktiverar dessa neuroner med en ljuspuls, kommer musen att bete sig som om den återupplever ett minne. På detta sätt är det möjligt att identifiera de grupper av celler som får minnet att dyka upp i minnet. Sedan dess har forskare genomfört alla möjliga experiment - till exempel kan de aktivera ett lyckligt minne, och en mus kommer att må bättre, även om den är sjuk. Och listan fortsätter och fortsätter.
"Många av våra ansträngningar blir bara ganska framgångsrika i andra eller tredje försöket."
- Har du några nya tankar om hur du kan göra livet bättre?
”Jag insåg att om jag verkligen vill att hjärnteknologier ska tillämpas över hela världen måste jag främja detta som entreprenör, det vill säga starta ett företag och hjälpa dessa uppfinningar att gå utöver de akademiska kretsarna. Mitt laboratorium har arbetat med olika företag tidigare, men i år deltar jag själv i lanseringen av tre. Förhoppningsvis kan vi ta reda på hur dessa tekniker kan hjälpa människor. Jag insåg att jag inte bara ville publicera vetenskapliga artiklar; Jag vill att dessa tekniker ska användas i verkligheten.
”Ett av dessa företag handlar om hjärnan som stärker tekniken, eller hur?
-Exakt. Vi startade ett litet företag som heter Expansion Technologies för att utbilda världen om dessa empowerment-teorier. Naturligtvis kan människor självständigt studera våra publikationer om detta ämne, men om vi kan föra våra idéer till massorna, kommer många vetenskapliga och medicinska problem att vara mycket lättare att lösa.
Jag måste säga med en gång att all forskningsinformation kan hittas online, vi delar öppet all information. Vi har utbildat över hundra grupper av forskare. Om så önskas kan vem som helst göra en liknande mikroskopisk undersökning själv. Men till skillnad från optogenetik, där du alltid kan vända dig till någon ideell organisation för att få DNA gratis eller för pengar, kräver denna forskning kemikalier, så ett företag som ställer ut kit av nödvändiga reagens tillgängliga för alla sparar tid.
Vi försöker bara alltid öka den positiva påverkan på världen. Vi startar ofta ett projekt genom att tänka, "Vilket problem lider tusentals forskare, företag och universitet?" Och sedan försöker vi skapa ett verktyg som kan hjälpa dem. Så om vi lyckas är det (praktiskt taget per definition) ingen mening att hålla det hemligt och för oss själva. Vi försöker bara dela våra verktyg med så många människor som möjligt.