Jeśli naukowcy potrafią rozgryźć mózg, czy pomoże on wyleczyć wszystkie choroby, zarządzać uczuciami, kontrolować wspomnienia i generować pomysły jak komputer?
Neurolog Ed Boyden mówił o perspektywach badań nad mózgiem, o tym, co człowiek może osiągnąć, jeśli nauczy się kontrolować neurony, i dlaczego nieudane projekty powinny otrzymać drugą, a nawet trzecią szansę. Theory and Practice publikuje tłumaczenie wywiadu.
„Nieustannie generuj nowe pomysły. Nie czytaj tego bez zastanowienia. Komentuj, formułuj, rozważaj i generalizuj, nawet jeśli czytasz przedmowę. Dlatego zawsze będziesz dążyć do zrozumienia istoty rzeczy, czyli tego, co jest potrzebne do kreatywności”.
Ed Boyden napisał kiedyś krótki esej instruktażowy „Jak myśleć”, a powyższy akapit stał się jego zasadą numer 1. Miał 28 lat, założył własną grupę badawczą neuronauki na MIT i opublikował już część swoich badań, które przyniósł mu prestiżową nagrodę Brain Prize za pomoc w osiągnięciu „prawdopodobnie najważniejszego technicznego przełomu od 40 lat” - powiedział przewodniczący jury. To było prawie dziesięć lat temu. Wydaje się, że jego system generowania pomysłów spełnił oczekiwania. Boyden otrzymał w zeszłym roku nagrodę w wysokości 3 milionów dolarów za przełom, a on i jego koledzy odkryli nową metodę obserwacji niemal niewyobrażalnie małego obwodu elektrycznego w mózgu. Stworzyło to jedne z najdokładniejszych obrazów mózgu.
- Często mówisz, że Twoim celem jest „rozwikłanie mózgu”. Co masz na myśli?
- Myślę, że znaczenie tego wyrażenia zmieni się w miarę zdobywania nowej wiedzy, ale teraz „rozwikłanie mózgu” oznacza dla mnie, po pierwsze, możemy zasymulować (najprawdopodobniej za pomocą komputera) procesy, które będą generować coś w rodzaju myśli i uczucia, a po drugie, że potrafimy zrozumieć, jak leczyć zaburzenia mózgu, takie jak choroba Alzheimera czy epilepsja. To dwa cele, które pozwalają mi iść do przodu. Jedna koncentruje się na zrozumieniu natury ludzkiej, druga jest bardziej medyczna.
Możesz dyskutować ze mną, zauważając, że jest trzecie pytanie: czym jest świadomość? Dlaczego mamy wspomnienia, a butelki, długopisy i stoły, o ile wiemy, nie? Obawiam się, że nie mamy jeszcze dokładnej definicji świadomości, więc trudno jest podejść do tej kwestii. Nie mamy „miary świadomości”, która wskazywałaby, jak coś jest świadome. Myślę, że kiedyś do tego dojdziemy, ale w perspektywie średnioterminowej chciałbym skupić się na dwóch pierwszych pytaniach.
„Dlaczego tak dużo wiemy o świecie? To raczej dziwne, że potrafimy zrozumieć prawo powszechnego ciążenia lub mechanikę kwantową”
Film promocyjny:
- Kiedy zdobyłeś nagrodę za przełom w 2016 r., Mówiłeś o swoich nieustających wysiłkach w zakresie badań nad mózgiem: „Jeśli nam się uda, możemy odpowiedzieć na pytania typu„ Kim jestem? Jaka jest moja osobowość? Co powinienem zrobić? Dlaczego tu jestem? . W jaki sposób badania naukowe mogą pomóc nam odpowiedzieć na pytanie „Kim jestem?”
- Dam ci przykład. Kiedy kryzys gospodarczy uderzył w 2008 r., Rozmawiałem z wieloma o tym, dlaczego ludzie robią to, co robią. Dlaczego wiele naszych decyzji nie jest najlepszymi, jakie moglibyśmy podjąć? Oczywiście istnieje cała dziedzina nauki - ekonomia behawioralna, która próbuje wyjaśnić nasze działania na poziomie psychologicznym i poznawczym. Na przykład, jeśli zadasz osobie wiele pytań, a potem przejdzie obok miski słodyczy, prawdopodobnie weźmie kilka, ponieważ jest zmęczony odpowiedziami i nie może się oprzeć.
Ekonomia behawioralna może wyjaśnić pewne rzeczy, ale nie może wyjaśnić procesów leżących u podstaw podejmowania decyzji, a tym bardziej niektórych podświadomych momentów, nad którymi w ogóle nie mamy kontroli. Zauważ, że kiedy jesteśmy czegoś świadomi, często jest to wynikiem nieświadomych procesów, które miały miejsce tuż przed tym. Więc gdybyśmy zrozumieli, w jaki sposób komórki mózgowe są zorganizowane w obwód (praktycznie obwód komputerowy, jeśli wolisz) i zobaczylibyśmy, jak informacje przepływają przez te sieci i zmiany, mielibyśmy znacznie wyraźniejszy obraz tego, dlaczego nasz mózg akceptuje pewne rozwiązania. Jeśli to zrozumiemy, może uda nam się pokonać niektóre ograniczenia i przynajmniej zrozumieć, dlaczego robimy to, co robimy.
Można sobie wyobrazić, że w bardzo odległej przyszłości (prawdopodobnie zajmie to wiele dziesięcioleci) będziemy mogli zadawać naprawdę trudne pytania o to, dlaczego w taki czy inny sposób odnosimy się do pewnych rzeczy lub dlaczego myślimy o sobie w określony sposób - pytania, które pole widzenia psychologii, filozofii, ale na które tak trudno jest uzyskać odpowiedź przy pomocy praw fizyki.
- W jaki sposób badania mózgu pomagają odpowiedzieć na pytanie „Dlaczego tu jestem?”
- Jednym z powodów, dla których przestawiłem się z fizyki na badanie mózgu, było pytanie „Dlaczego tak dużo wiemy o świecie?” To dość dziwne, że potrafimy zrozumieć prawo grawitacji lub mechanikę kwantową - przynajmniej w takim stopniu, w jakim można stworzyć komputery. To niesamowite, że świat jest w jakiś sposób zrozumiały.
I zadałem sobie pytanie: jeśli nasz mózg rozumie jakąś część struktury Wszechświata, ale nie rozumie wszystkiego innego, a wszystko, co rozumie, jest dostępne dzięki prawom fizyki, na których opiera się również praca naszego mózgu, to okazuje się, że jest to coś w rodzaju błędnego koła, prawda? I próbuję wymyślić: jak to złamać? Jak uczynić wszechświat zrozumiałym? Załóżmy, że nie rozumiemy czegoś o wszechświecie, ale jeśli wiemy, jak działa ludzki umysł i jakich zdolności myślowych nam brakuje, być może uda nam się stworzyć bardziej rozwiniętą sztuczną inteligencję, która pomoże wzmocnić naszą zdolność myślenia.
Czasami nazywam tę koncepcję „koprocesorem mózgu” - czymś, co działa z mózgiem i poszerza nasze rozumienie.
Nadal mamy wiele pytań do wszechświata, prawda? Einstein próbował znaleźć związek między mechaniką kwantową a grawitacją, ale nigdy mu się to nie udało i do dziś nie jest do końca jasne, jak rozwiązać ten dylemat. Być może, aby zrozumieć pewne rzeczy, musimy zwiększyć nasze zdolności intelektualne. Co się stanie, jeśli je rozszerzymy? Oczywiście nie ma żadnych gwarancji. Ale może dowiemy się więcej o pochodzeniu Wszechświata, o tym, jakie siły wpływały na niego na początku istnienia, a które oddziałują teraz.
- Ostatnie pytanie na ten temat. W jaki sposób badania mózgu pomagają odpowiedzieć na pytanie „Jaka jest moja osobowość?”
„W tej chwili próbujemy zmapować strukturę mózgu. Trudno w nim coś zobaczyć. Sam mózg jest wystarczająco duży - człowiek waży kilka funtów - ale połączenia między neuronami, zwane synapsami, są niewielkie. Tutaj mówimy o nanoskali. Dlatego jeśli chcesz zobaczyć, w jaki sposób komórki mózgowe są połączone w sieć, musisz wziąć pod uwagę synapsy. W jaki sposób mogę to zrobić? Opracowaliśmy specjalną technikę. Bierzemy kawałek tkanki mózgowej i wstrzykujemy do niego substancję chemiczną, a dokładniej polimer, który jest w pewnym sensie bardzo podobny do substancji w pieluchach niemowlęcych. Jest to polimer, który pęcznieje po dodaniu cieczy.
Jeśli umieścimy go w mózgu i dodamy wody, będziemy w stanie rozdzielić cząsteczki tworzące mózg, a wtedy zobaczymy drobne połączenia między komórkami. Zatem rozumujemy: jeśli weźmiemy bardzo mały mózg, na przykład rybę lub robaka, czy możemy go zbadać w całości? Czy uda nam się odwzorować cały układ nerwowy z dokładnością do poszczególnych skoczków? Teraz jest na poziomie pomysłu, nie ma jeszcze technologii niezbędnych do realizacji, ale gdybyśmy udali się udoskonalić część techniczną, dałoby się sporządzić wystarczająco szczegółową mapę połączeń w mózgu, zgodnie z którą jego pracę można by realnie odtworzyć za pomocą komputera. I czy ta kopia będzie działać w taki sam sposób, jak mózg organizmu, który stał się pierwotnym źródłem?
Wyobraź sobie, że mamy robaka z 302 neuronami i zauważyliśmy około 6 tysięcy połączeń między nimi, a także cząsteczki na połączeniach. Czy można zasymulować działania tego robaka? Wtedy, być może, będzie można zrobić to samo z rybą, potem z myszą, a potem z ludzkim mózgiem - każdy z tych mózgów jest około tysiąc razy większy niż poprzedni. Gdybyś mógł zmapować ludzki mózg, natychmiast pojawiłoby się pytanie: gdybyś odtworzył jego aktywność na komputerze, czy nadal byłbyś nim? Jak wspomniano wcześniej, nie mamy dokładnej lub przynajmniej roboczej definicji świadomości, więc chociaż nie możemy ocenić tej jakości po prostu patrząc na coś, nie możemy jeszcze udzielić odpowiedzi, powiedziałbym. Ale to rodzi interesujące pytanie o naturę osobowości.
„Gdybyśmy zrozumieli, w jaki sposób komórki mózgowe są zorganizowane w obwody i jak informacje przepływają przez te sieci, być może moglibyśmy zrozumieć, dlaczego robimy to, co robimy”.
- Około dekady temu napisałeś esej „Jak myśleć”. Czy od tego czasu wprowadziłeś jakieś zmiany lub uzupełnienia do tych przepisów?
„Napisałem ten esej dość szybko, kiedy założyliśmy zespół badawczy na MIT i spędzałem większość czasu w pustym pokoju, czekając na przybycie sprzętu. Od tego czasu dzięki doświadczeniu nauczyłem się, jak najlepiej przestrzegać tych zasad. Na przykład zasada nr 3 mówi: „Pracuj wstecz od celu”.
Od tego momentu zdałem sobie sprawę, że jeśli zaczynasz pracę od problemu, który wymaga rozwiązania i spotykasz ludzi, którzy mają pewne umiejętności i wychodzą z ich możliwości, to bardzo łatwo będzie Ci współpracować, ponieważ wszystkie strony są w zainteresowany tym. Posiadacze umiejętności chcą mieć większy wpływ i możliwości rozwiązywania problemów, a osoby wyznaczające cele chcą nowych narzędzi do rozwiązywania tych problemów. Dlatego zasada nr 3 „Pracuj wstecz, zaczynając od celu” w naturalny sposób prowadzi do zasady nr 6 - „Współpracuj”. Nauczyłem się też analizować naturę problemów. W tym roku wygłosiłem krótki wykład na Światowym Forum Ekonomicznym w Davos. Nazywało się przygotowywaniem rewolucji i dotyczyło tego, jak nauczyć się zagłębiać się w problemy i znajdować możliwe rozwiązania. To było coś w rodzaju How to Think 2.0, ale w formie filmu.
- Jakie książki najbardziej wpłynęły na Twój rozwój intelektualny?
- Jednym z nich jest „Time, Love, Memory” Jonathana Weinera. Opowiada o czasach, kiedy ludzie zaczęli kojarzyć geny z cechami zachowania. Autorka zaczyna od zarania ery genetyki - kiedy ludzie odkryli, że promienie X zmieniają geny - a kończy na nowoczesności, kiedy naukowcy odkrywają, które geny odpowiadają np. Za nasze poczucie czasu czy zdolność zapamiętywania. Uwielbiam tę książkę, ponieważ pokazuje naukę w ruchu - nie jak podręcznik, „masz fakty od siódmej do czterdziestej ósmej, pamiętaj o nich” - pokazuje ludzi cierpiących z powodu niepewności, którzy pokonują wszelkiego rodzaju trudności. Jest to bardzo ekscytujące. Czytałem go co roku i wywarł na mnie ogromny wpływ.
Druga książka nosi tytuł Thinking About Science. Opowiada o Maxie Delbrücku, fizyku, który również zmienił dziedzinę swojej działalności na biologię. Wniósł wielki wkład w odkrycie struktury genów i pomógł zapoczątkować nową erę w biologii molekularnej. Książka wiele mówi o jego poglądach, o tym, jak rozważał przejście od fizyki do biologii. Ta książka miała również ogromny wpływ na moje życie, ponieważ często myślę o tym, jak badać złożone układy, takie jak mózg, jak określić rzeczywisty stan rzeczy, jak pozbyć się przybliżenia i nie zatrzymywać się w połowie.
- Wspomniałeś, że ciągle robisz notatki. Co to za system?
- Kiedy z kimś rozmawiam, kładę papier na stole i podsumowuję rozmowę. Na koniec robię zdjęcia notatek na telefonie i przekazuję kartkę rozmówcy. Każdego miesiąca przeglądam wszystkie te streszczenia i oznaczam je słowami kluczowymi. Są ku temu dwa powody. Po pierwsze, ponieważ ponownie przetrawiłem rozmowę, pomaga mi to zapamiętać. Po drugie, ponieważ wybrałem słowa kluczowe, łatwo je znaleźć. Do tej pory wykonałem już dziesiątki tysięcy takich notatek.
- Twoja praca sugeruje, że spędzasz dużo czasu na myśleniu. Jak osiągnąć maksymalne rezultaty?
- Są trzy punkty, od pragmatycznych po abstrakcyjne. Od dawna wstaję bardzo wcześnie. Staram się wstawać o 4-5 rano, dużo wcześniej niż inni pracownicy laboratorium. Dzięki temu mam kilka godzin ciszy, żeby pomyśleć i nic mnie nie rozprasza. Myślę, że to ważne. Po drugie, wiele dobrych pomysłów jest faktycznie złych, ponieważ skoro od razu brzmią tak dobrze, to każdy już o nich pomyślał i stara się je wdrożyć. Dlatego często myślę o rzeczach, które na pierwszy rzut oka wydają się złymi pomysłami, ale nagle, jeśli spojrzeć na nie pod odpowiednim kątem, okazują się dobre? Spędzam dużo czasu, próbując podchodzić do pomysłów z różnych stron.
Dziesiątki lat temu astronom Fritz Zwicky stworzył wiele teorii, które należą do najbardziej palących w dzisiejszej astrofizyce. Najważniejszy z obecnych pomysłów, jak ciemna materia, wysunął w latach trzydziestych XX wieku. Jak Zwicky to zrobił? Po prostu rozważył wszystkie możliwe opcje. Zwicky nazwał swoją metodę „analizą morfologiczną”, ale wydaje mi się, że jest to niemożliwe do wymówienia, dlatego nazywam to „schematem drzewa mozaiki”.
Wreszcie - i ten punkt jest jeszcze bardziej abstrakcyjny - wierzę w przypadkowe odkrycia. Spędzam dużo czasu przeglądając transkrypcje starych rozmów. Wiele z nich dotyczy pomysłów, które zawiodły, projekty zawiodły. Ale wiesz co? To było pięć lat temu, a teraz komputery pracują szybciej, pojawiły się nowe informacje, świat się zmienił. Dlatego możemy ponownie uruchomić projekt. Wiele z naszych przedsięwzięć kończy się pełnym sukcesem dopiero za drugim lub trzecim podejściem. Ważną częścią mojej pracy jest zapamiętywanie niepowodzeń i wznawianie nieudanych projektów w odpowiednim momencie.
- Otrzymałeś główne nagrody za badania w optogenetyce. Dlaczego stała się tak ważnym osiągnięciem?
„Kiedy mówisz o optogenetyce, musimy pamiętać, że„ opto”oznacza„ światło”, a„ genetyka”oznacza, że używamy genów, które wykonują całą pracę. Wprowadzasz gen, który działa jak małe ogniwo słoneczne - zasadniczo cząsteczkę, która zamienia światło w elektryczność. Dlatego, jeśli wprowadzisz go do neuronu i skierujesz na niego światło, możesz kontrolować aktywność neuronu.
Dlaczego to jest ważne? W ciągu ostatnich stu lat studiowania neurologii wiele osób próbowało kontrolować neurony za pomocą wszystkich możliwych technologii: farmakologii (leków), impulsów elektrycznych i tak dalej. Ale żaden z nich nie gwarantuje dokładności. Dzięki optogenetyce możemy skierować światło do pojedynczej komórki lub kilku komórek i „włączyć” lub „wyłączyć” te konkretne komórki. Więc dlaczego jest to ważne? Jeśli możesz aktywować komórki, możesz dowiedzieć się, za co są odpowiedzialne. Być może dla uczucia, decyzji lub ruchu. „Wyłączając” je, rozumiesz, jaka jest ich funkcja: może „wyłączysz” określone komórki, a osoba straci jakąś pamięć.
- Optogenetyka jest dziś wykorzystywana do badań mózgu w laboratoriach na całym świecie. Jakie są najbardziej obiecujące obszary z tym związane?
- Niektórzy badacze prowadzą eksperymenty, które są dość trudne z filozoficznego punktu widzenia. Na przykład grupa naukowców z California Institute of Technology odkryła niewielką pulę komórek głęboko, głęboko w mózgu. Jeśli aktywujesz je za pomocą światła, na przykład u myszy (wielu z nimi pracuje), zwierzęta staną się agresywne, a nawet okrutne. Zaatakują każde stworzenie lub obiekt w bezpośrednim sąsiedztwie, nawet niektóre przypadkowe rzeczy, takie jak rękawiczka. Jest to bardzo interesujące, ponieważ teraz możesz zadawać pytania z serii „Co się dzieje, gdy drażnisz te komórki? Czy to wysyła polecenie motoryczne do mięśni? Innymi słowy, czy mysz porusza się, aby zaatakować? Czy jest to polecenie sensoryczne?
Czyli mysz się boi i atakuje w samoobronie?” Możesz zadać naprawdę ważne pytania dotyczące znaczenia eksperymentu, gdy część mózgu wywołuje złożoną reakcję, taką jak agresja lub okrucieństwo.
Jest wielu naukowców, którzy pracują nad aktywacją lub wyciszeniem aktywności neuronalnej w różnych częściach mózgu do celów medycznych. Na przykład grupa naukowców, która wykazała na myszach cierpiących na epilepsję, że można „wyłączyć” napady, działając na określone komórki. Istnieją inne grupy, które badały myszy z chorobą Parkinsona i były w stanie uwolnić zwierzęta od objawów tej choroby.
Naukowcy odkrywają również wiele interesujących rzeczy w naukach podstawowych. Mój kolega z MIT, Suzumi Tonegawa i jego zespół badawczy, zrobili coś bardzo sprytnego: zaprogramowali myszy tak, aby neurony odpowiedzialne za pamięć były aktywowane przez światło. Odkryli, że jeśli ponownie aktywujesz te neurony impulsem światła, mysz będzie zachowywać się tak, jakby ożywiała wspomnienie. W ten sposób można zidentyfikować grupy komórek, które sprawiają, że pamięć pojawia się w pamięci. Od tego czasu badacze przeprowadzili różnego rodzaju eksperymenty - np. Mogą aktywować szczęśliwą pamięć, a mysz poczuje się lepiej, nawet jeśli jest chora. A lista jest długa.
„Wiele z naszych przedsięwzięć kończy się sukcesem dopiero za drugim lub trzecim podejściem”.
- Czy masz jakieś nowe przemyślenia na temat tego, jak ulepszyć życie?
„Zdałem sobie sprawę, że jeśli naprawdę chcę, aby technologie mózgowe były stosowane na całym świecie, to muszę wnieść swój wkład jako przedsiębiorca, czyli założyć firmę i pomóc tym wynalazkom wyjść poza kręgi akademickie. Moje laboratorium współpracowało wcześniej z różnymi firmami, ale w tym roku sam uczestniczę w uruchomieniu trzech. Miejmy nadzieję, że uda nam się dowiedzieć, jak te technologie mogą pomóc ludziom. Zdałem sobie sprawę, że nie chcę po prostu publikować artykułów naukowych; Chcę, aby te technologie były używane w prawdziwym życiu.
„Jedna z tych firm zajmuje się technologią wzmacniającą mózg, prawda?
-Dokładnie. Założyliśmy małą firmę o nazwie Expansion Technologies, aby edukować świat na temat tych teorii wzmocnienia. Oczywiście ludzie mogą samodzielnie studiować nasze publikacje na ten temat, ale jeśli będziemy mogli wnieść nasze pomysły do mas, wówczas wiele problemów naukowych i medycznych będzie znacznie łatwiejszych do rozwiązania.
Muszę od razu powiedzieć, że wszystkie dane badawcze można znaleźć w Internecie, otwarcie udostępniamy wszystkie informacje. Przeszkoliliśmy ponad sto grup badaczy. W razie potrzeby każdy może samodzielnie przeprowadzić podobne badanie mikroskopowe. Ale w przeciwieństwie do optogenetyki, gdzie zawsze można zwrócić się do jakiejś organizacji non-profit, aby uzyskać DNA za darmo lub za pieniądze, badania te wymagają dostępności chemikaliów, więc firma, która udostępnia każdemu zestawy niezbędnych odczynników, oszczędza czas.
Po prostu zawsze staramy się zwiększyć pozytywny wpływ na świat. Często rozpoczynamy projekt myśląc: „Na jaki problem cierpią tysiące naukowców, firm i uniwersytetów?” A potem staramy się stworzyć narzędzie, które mogłoby im pomóc. Więc jeśli nam się uda, to (praktycznie z definicji) nie ma sensu trzymać tego w tajemnicy i dla siebie. Po prostu staramy się udostępniać nasze narzędzia jak największej liczbie osób.