Als wetenschappers de hersenen kunnen achterhalen, zal het dan helpen om alle ziekten te genezen, gevoelens te beheersen, herinneringen te beheersen en ideeën te genereren zoals een computer?
Neurowetenschapper Ed Boyden sprak over de vooruitzichten van hersenonderzoek, wat iemand kan bereiken als hij leert neuronen te beheersen, en waarom mislukte projecten een tweede of zelfs een derde kans zouden moeten krijgen. Theory and Practice publiceert een vertaling van het interview.
“Voortdurend nieuwe ideeën genereren. Lees het niet zonder na te denken. Geef commentaar, formuleer, reflecteer en generaliseer, zelfs als u het voorwoord leest. Je zult er dus altijd naar streven de essentie van dingen te begrijpen, en dat is wat nodig is voor creativiteit."
Ed Boyden schreef ooit een kort instructie-essay "How to Think", en de bovenstaande alinea werd zijn regel nummer 1. Hij was 28 jaar oud, begon zijn eigen neurowetenschappelijke onderzoeksgroep aan het MIT en heeft al een deel van zijn onderzoek gepubliceerd, dat leverde hem de prestigieuze Brain Prize op voor zijn bijdrage aan "misschien wel de belangrijkste technische doorbraak in 40 jaar", zei de voorzitter van de jury. Het was bijna tien jaar geleden. Zijn systeem voor het genereren van ideeën lijkt aan de verwachtingen te hebben voldaan. Boyden ontving vorig jaar een Doorbraakprijs van $ 3 miljoen en hij en zijn collega's ontdekten een nieuwe methode om een bijna onvoorstelbaar klein elektrisch circuit in de hersenen te observeren. Dit heeft enkele van de meest nauwkeurige beelden van de hersenen opgeleverd.
- Je zegt vaak dat het je doel is 'de hersenen te ontrafelen'. Wat heb je in gedachten?
- Ik denk dat de betekenis van deze zin zal veranderen naarmate er nieuwe kennis wordt opgedaan, maar nu betekent 'het brein ontrafelen' voor mij dat we ten eerste processen kunnen simuleren (hoogstwaarschijnlijk met behulp van een computer) die zoiets als gedachten genereren en gevoelens, en ten tweede dat we kunnen begrijpen hoe hersenaandoeningen zoals Alzheimer of epilepsie moeten worden behandeld. Dit zijn twee doelen die me vooruit helpen. De ene richt zich op het begrijpen van de menselijke natuur, de andere is meer medisch.
Je kunt met mij in discussie gaan door op te merken dat er een derde vraag is: wat is bewustzijn? Waarom hebben we herinneringen, maar flessen, pennen en tafels, voor zover we weten, niet? Ik ben bang dat we nog geen exacte definitie van bewustzijn hebben, dus deze kwestie is moeilijk te benaderen. We hebben geen "mate van bewustzijn" die zou aangeven hoe bewust iets is. Ik denk dat we daar ooit op zullen komen, maar op middellange termijn wil ik me concentreren op de eerste twee vragen.
“Waarom weten we zoveel over de wereld? Het is nogal vreemd dat we de wet van universele gravitatie of kwantummechanica kunnen begrijpen"
Promotie video:
- Toen je in 2016 de Doorbraakprijs won, vertelde je over je voortdurende inspanningen op het gebied van hersenonderzoek: “Als het ons lukt, kunnen we vragen beantwoorden als 'Wie ben ik? Wat is mijn persoonlijkheid? Wat moet ik doen? Waarom ben ik hier?". Hoe kan onderzoek ons helpen bij het beantwoorden van de vraag "Wie ben ik?"
- Ik zal je een voorbeeld geven. Toen de economische crisis in 2008 toesloeg, heb ik met velen gesproken over waarom mensen doen wat ze doen. Waarom zijn veel van onze beslissingen niet de beste beslissingen die we kunnen nemen? Natuurlijk is er een heel wetenschapsgebied - gedragseconomie, dat onze acties op psychologisch en cognitief niveau probeert te verklaren. Als je iemand bijvoorbeeld veel vragen stelt en dan langs een schaal met snoep loopt, dan zal hij er waarschijnlijk een paar nemen, omdat hij de antwoorden beu is en niet kan weerstaan.
Gedragseconomie kan sommige dingen verklaren, maar het kan niet de processen verklaren die ten grondslag liggen aan besluitvorming, en nog minder, sommige onbewuste momenten waar we helemaal geen controle over hebben. Merk op dat wanneer we ons iets bewust zijn, dit vaak het resultaat is van onbewuste processen die er vlak voor plaatsvonden. Dus als we zouden begrijpen hoe hersencellen zijn georganiseerd in een circuit (praktisch een computercircuit, als je wilt), en zouden zien hoe informatie door deze netwerken stroomt en verandert, zouden we een veel duidelijker idee hebben waarom onze hersenen accepteren bepaalde oplossingen. Als we dit begrijpen, kunnen we misschien enkele van de beperkingen overwinnen en op zijn minst begrijpen waarom we doen wat we doen.
Je kunt je voorstellen dat we in de zeer verre toekomst (het zal waarschijnlijk vele decennia duren), heel moeilijke vragen kunnen stellen over waarom we op de een of andere manier met bepaalde dingen omgaan, of waarom we op een bepaalde manier aan onszelf denken - vragen die in het gezichtsveld van psychologie, filosofie, maar waarop het zo moeilijk is om een antwoord te krijgen met behulp van de wetten van de fysica.
- Hoe helpt hersenonderzoek bij het beantwoorden van de vraag "Waarom ben ik hier?"
- Een van de redenen waarom ik van natuurkunde ben overgestapt op hersenonderzoek, was de vraag "Waarom weten we zoveel over de wereld?" Het is vreemd genoeg dat we de wet van de zwaartekracht kunnen begrijpen, of dat we de kwantummechanica kunnen begrijpen - tenminste voor zover computers kunnen worden gemaakt. Het is verbazingwekkend dat de wereld op de een of andere manier begrijpelijk is.
En ik stelde mezelf een vraag: als ons brein een deel van de structuur van het universum begrijpt, maar niet al het andere begrijpt, en alles wat het begrijpt, beschikbaar is dankzij de wetten van de fysica, waarop het werk van onze hersenen ook is gebaseerd, dan blijkt het zoiets als een vicieuze cirkel, toch? En ik probeer erachter te komen: hoe kan ik het breken? Hoe maak je het universum begrijpelijk? Stel dat we iets van het universum niet begrijpen, maar als we weten hoe de menselijke geest werkt en wat voor denkvermogen we missen, kunnen we misschien een meer ontwikkelde kunstmatige intelligentie creëren die ons vermogen om te denken zal helpen versterken.
Dit concept noem ik soms een 'hersencoprocessor' - iets dat met de hersenen werkt en ons begrip vergroot.
We hebben nog steeds veel vragen voor het universum, toch? Einstein probeerde een verband te vinden tussen kwantummechanica en zwaartekracht, maar dat lukte hem niet, en tot op de dag van vandaag is het niet helemaal duidelijk hoe dit dilemma moet worden opgelost. Om sommige dingen te begrijpen, moeten we misschien onze intellectuele vaardigheden vergroten. Wat gebeurt er als we ze uitbreiden? Natuurlijk zijn er geen garanties. Maar misschien zullen we meer leren over de oorsprong van het universum, over welke krachten het aan het begin van het bestaan beïnvloedden en welke nu van invloed zijn.
- De laatste vraag over dit onderwerp. Hoe helpt hersenonderzoek bij het beantwoorden van de vraag "Wat is mijn persoonlijkheid?"
“Op dit moment proberen we de structuur van de hersenen in kaart te brengen. Het is best moeilijk om er iets in te zien. De hersenen zelf zijn groot genoeg - een mens weegt enkele kilo's - maar de verbindingen tussen neuronen, bekend als synapsen, zijn klein. Hier hebben we het over nanoschaal. Daarom, als je wilt zien hoe hersencellen in een netwerk zijn verbonden, moet je synapsen overwegen. Hoe kan ik dit doen? We hebben een speciale techniek ontwikkeld. We nemen een stukje hersenweefsel en injecteren er een chemische stof in, meer bepaald een polymeer, dat in zekere zin sterk lijkt op de stof in babyluiers. Het is een polymeer dat opzwelt als er vloeistof wordt toegevoegd.
Als we het in de hersenen plaatsen en water toevoegen, kunnen we de moleculen waaruit de hersenen bestaan uit elkaar halen, en dan kunnen we de minuscule verbindingen tussen cellen zien. Dus redeneren we: als we een heel klein brein nemen, bijvoorbeeld een vis of een worm, kunnen we het dan in zijn geheel bestuderen? Zullen we het hele zenuwstelsel kunnen weergeven met een nauwkeurigheid van individuele springers? Nu is dit op het niveau van een idee, er zijn nog geen noodzakelijke technologieën voor implementatie, maar als we erin zouden slagen het technische gedeelte te verbeteren, zou het mogelijk zijn om een voldoende gedetailleerde kaart te maken van de verbindingen in de hersenen, volgens welke zijn werk echt kan worden gereproduceerd met een computer. En zal deze kopie op dezelfde manier functioneren als de hersenen van het organisme, dat de primaire bron werd?
Stel je voor dat we een worm hadden met 302 neuronen en dat we ongeveer 6000 verbindingen daartussen zagen, evenals moleculen op de kruispunten. Is het mogelijk om de acties van deze worm te simuleren? Dan is het misschien mogelijk om hetzelfde te doen met een vis, dan met een muis en dan met een menselijk brein - elk van deze hersenen is ongeveer duizend keer groter dan het vorige. Als je het menselijk brein in kaart zou kunnen brengen, rijst meteen de vraag: als je de activiteit ervan op een computer zou reproduceren, zou jij het dan nog steeds zijn? Zoals eerder opgemerkt, hebben we geen exacte of in ieder geval een werkende definitie van bewustzijn, dus hoewel we deze kwaliteit niet kunnen beoordelen door simpelweg ergens naar te kijken, kunnen we nog geen antwoord geven, zou ik zeggen. Maar dit roept een interessante vraag op over de aard van persoonlijkheid.
"Als we zouden begrijpen hoe hersencellen in circuits zijn georganiseerd en zouden zien hoe informatie door deze netwerken stroomt, zouden we misschien kunnen begrijpen waarom we doen wat we doen."
- Ongeveer tien jaar geleden schreef je een essay "Hoe te denken". Zijn er sindsdien wijzigingen of aanvullingen op die regels aangebracht?
“Ik heb dit essay vrij snel geschreven toen we het onderzoeksteam bij MIT begonnen en het grootste deel van mijn tijd in een lege ruimte doorbrachten, wachtend tot de apparatuur arriveerde. Sindsdien heb ik door ervaring geleerd hoe ik deze regels het beste kan volgen. Regel 3 zegt bijvoorbeeld: "Werk achteruit vanuit uw doel."
Vanaf dat moment realiseerde ik me dat als je werkt vanuit een probleem dat moet worden opgelost en mensen ontmoet die bepaalde vaardigheden hebben en die uitgaan van hun capaciteiten, het heel gemakkelijk voor je zal zijn om samen te werken, omdat alle kanten in hierin geïnteresseerd. Vaardigheidshouders willen meer invloed en probleemoplossing, en doelzoekers willen nieuwe tools om die problemen op te lossen. Regel # 3, "Werk achteruit, beginnend bij je doel", leidt daarom natuurlijk tot regel # 6 - "Samenwerken". Ik heb ook geleerd om de aard van problemen te analyseren. Dit jaar heb ik een korte lezing gegeven op het World Economic Forum in Davos. Het heette Preparing a Revolution, en het ging erom hoe je dieper in problemen kunt duiken en mogelijke oplossingen kunt vinden. Het was zoiets als How to Think 2.0, maar dan in de vorm van een video.
- Welke boeken hebben uw intellectuele ontwikkeling het meest beïnvloed?
- Een daarvan is "Time, Love, Memory" van Jonathan Weiner. Ze vertelt over de momenten waarop mensen genen begonnen te associëren met gedragskenmerken. De auteur begint met het aanbreken van het tijdperk van de genetica - toen mensen ontdekten dat röntgenstralen genen veranderen - en eindigt met moderniteit, wanneer wetenschappers erachter komen welke genen verantwoordelijk zijn voor bijvoorbeeld ons besef van tijd of ons vermogen om te onthouden. Ik hou van dit boek omdat het de wetenschap in beweging laat zien - niet als een leerboek, "je hebt feiten zeven tot en met achtenveertigste, onthoud ze" - het toont mensen die lijden aan onzekerheid die allerlei moeilijkheden overwinnen, en het is erg opwindend. Ik las het elk jaar opnieuw en het heeft me enorm beïnvloed.
Het tweede boek heet Thinking About Science. Ze vertelt over Max Delbrück, een natuurkundige die ook zijn werkterrein veranderde in biologie. Hij leverde een grote bijdrage aan de ontdekking van de structuur van genen en hielp een nieuw tijdperk in de moleculaire biologie in te luiden. Het boek vertelt veel over zijn opvattingen, over hoe hij nadacht over zijn overgang van natuurkunde naar biologie. Dit boek heeft ook mijn leven enorm beïnvloed, omdat ik vaak nadenk over hoe ik complexe systemen zoals de hersenen kan onderzoeken, hoe ik de werkelijke stand van zaken kan achterhalen, hoe ik van benadering af kan komen en niet halverwege stop.
- Je zei dat je constant aantekeningen maakt. Wat is dit systeem?
- Als ik met iemand praat, leg ik papier op tafel en maak een samenvatting van het gesprek. Aan het einde maak ik foto's van de aantekeningen op mijn telefoon en geef het blad aan mijn gesprekspartner. Elke maand doorloop ik al deze samenvattingen en label ze met trefwoorden. Hiervoor zijn twee redenen. Ten eerste, aangezien ik het gesprek opnieuw heb verteerd, helpt het me het te onthouden. Ten tweede, aangezien ik de trefwoorden heb gekozen, is het gemakkelijk om het te vinden. Tot op heden heb ik al tienduizenden van dergelijke aantekeningen gemaakt.
- Uw werk suggereert dat u veel tijd besteedt aan het nadenken. Hoe bereik je maximale resultaten?
- Er zijn drie punten, van pragmatisch tot abstract. Ik ben al heel lang heel vroeg wakker. Ik probeer om 4-5 uur 's ochtends op te staan, veel eerder dan ander laboratoriumpersoneel. Hierdoor heb ik een paar uur stilte om na te denken en nergens door afgeleid te worden. Ik denk dat dit belangrijk is. Ten tweede zijn veel goede ideeën eigenlijk slecht, omdat omdat ze meteen zo goed klinken, iedereen er al over heeft nagedacht en ernaar streeft ze te implementeren. Daarom denk ik vaak aan dingen die op het eerste gezicht slechte ideeën lijken, maar plotseling, als je ze vanuit de juiste hoek bekijkt, blijken ze goed te zijn? Ik besteed veel tijd aan het proberen ideeën vanuit verschillende invalshoeken te benaderen.
Tientallen jaren geleden creëerde astronoom Fritz Zwicky veel theorieën die tot de meest brandende in de astrofysica behoren. De meest relevante van de huidige ideeën, zoals donkere materie, bracht hij in de jaren dertig naar voren. Hoe heeft Zwicky dit gedaan? Hij overwoog gewoon alle mogelijke opties. Zwicky noemde zijn methode "morfologische analyse", maar het lijkt mij dat dit onmogelijk uit te spreken is, dus ik noem het "mozaïekboomdiagram".
Ten slotte - en dit punt is nog abstracter - geloof ik in toevallige ontdekkingen. Ik besteed veel tijd aan het doorzoeken van transcripties van oude gesprekken. Velen van hen gaan over ideeën die zijn mislukt, projecten zijn mislukt. Maar weet je wat? Dat was vijf jaar geleden, en nu werken computers sneller, is er nieuwe informatie verschenen, is de wereld veranderd. Daarom kunnen we het project opnieuw starten. Veel van onze inspanningen worden pas volledig succesvol bij de tweede of derde poging. Een belangrijk onderdeel van mijn werk is het onthouden van mislukkingen en het opnieuw opstarten van mislukte projecten wanneer de tijd daar is.
- U heeft uw belangrijkste onderscheidingen ontvangen voor onderzoek in optogenetica. Waarom is ze zo'n belangrijke prestatie geworden?
"Als je het hebt over optogenetica, moeten we niet vergeten dat" opto " licht "betekent, en" genetica "betekent dat we genen gebruiken die al het werk doen. Je introduceert een gen dat werkt als een kleine zonnecel - in wezen een molecuul dat licht omzet in elektriciteit. Daarom, als je het in een neuron introduceert en er licht op richt, kun je de activiteit van het neuron controleren.
Waarom is het belangrijk? In de afgelopen honderd jaar dat ze neurologie hebben gestudeerd, hebben veel mensen geprobeerd neuronen te beheersen met behulp van alle mogelijke technologieën: farmacologie (medicijnen), elektrische impulsen, enzovoort. Maar geen van hen garandeert nauwkeurigheid. Met optogenetica kunnen we licht naar een enkele cel of meerdere cellen sturen en deze specifieke cellen "aanzetten" of "uitschakelen". Dus waarom is dit belangrijk? Als je cellen kunt activeren, kun je erachter komen waarvoor ze verantwoordelijk zijn. Misschien voor een gevoel, of een beslissing, of een beweging. Door ze 'uit te schakelen', begrijp je wat hun functie is: misschien schakel je bepaalde cellen 'uit', en verliest iemand een soort geheugen.
- Optogenetica wordt tegenwoordig gebruikt voor hersenonderzoek in laboratoria over de hele wereld. Wat zijn de meest veelbelovende gebieden die hiermee verband houden, benadrukt u?
- Sommige onderzoekers voeren experimenten uit die filosofisch gezien behoorlijk uitdagend zijn. Een groep wetenschappers van het California Institute of Technology ontdekte bijvoorbeeld een kleine verzameling cellen diep, diep in de hersenen. Als je ze activeert met behulp van licht, bijvoorbeeld bij muizen (velen werken ermee), dan worden de dieren agressief, zelfs wreed. Ze zullen elk wezen of object in de directe omgeving aanvallen, zelfs enkele willekeurige dingen zoals een handschoen. Dit is erg interessant omdat je nu vragen kunt stellen uit de serie “Wat gebeurt er als je deze cellen irriteert? Stuurt dit een motorisch commando naar de spieren? Met andere woorden, beweegt de muis om aan te vallen? Of is het een zintuiglijk bevel?
Dat wil zeggen, de muis is bang en valt aan uit zelfverdediging? Je kunt echt belangrijke vragen stellen over de betekenis van het experiment wanneer een deel van de hersenen een complexe reactie uitlokt, zoals agressie of wreedheid.
Er zijn een aantal onderzoekers die bezig zijn met het activeren of stilleggen van neurale activiteit in verschillende delen van de hersenen voor medische doeleinden. Een groep wetenschappers bijvoorbeeld, die bij muizen die aan epilepsie leden, aantoonden dat je aanvallen kunt 'uitschakelen' door op bepaalde cellen in te werken. Er zijn andere groepen die muizen met de ziekte van Parkinson hebben bestudeerd en dieren van de symptomen van de ziekte hebben kunnen bevrijden.
Wetenschappers ontdekken ook veel interessante dingen in de fundamentele wetenschappen. Mijn MIT-collega Suzumi Tonegawa en zijn team van onderzoekers deden iets heel slims: ze programmeerden de muizen zo dat de neuronen die verantwoordelijk zijn voor het geheugen door licht werden geactiveerd. Ze ontdekten dat als je deze neuronen reactiveert met een lichtpuls, de muis zich zal gedragen alsof hij een herinnering herleeft. Op deze manier is het mogelijk om de groepen cellen te identificeren die ervoor zorgen dat het geheugen in het geheugen opduikt. Sindsdien hebben onderzoekers allerlei experimenten uitgevoerd - ze kunnen bijvoorbeeld een gelukkige herinnering activeren en een muis zal zich beter voelen, zelfs als hij ziek is. En de lijst gaat maar door.
"Veel van onze inspanningen worden pas behoorlijk succesvol bij de tweede of derde poging."
- Heeft u nieuwe gedachten over hoe u het leven kunt verbeteren?
“Ik realiseerde me dat als ik echt wil dat hersentechnologieën over de hele wereld worden toegepast, ik dit als ondernemer moet promoten, dat wil zeggen, een bedrijf moet starten en deze uitvindingen moet helpen verder te gaan dan de academische kringen. Mijn laboratorium heeft eerder met verschillende bedrijven gewerkt, maar dit jaar doe ik zelf mee aan de lancering van drie. Hopelijk kunnen we erachter komen hoe deze technologieën mensen kunnen helpen. Ik realiseerde me dat ik niet alleen wetenschappelijke artikelen wilde publiceren; Ik wil dat deze technologieën in het echte leven worden gebruikt.
“Een van deze bedrijven houdt zich bezig met technologie voor het versterken van de hersenen, nietwaar?
-Precies. We begonnen een klein bedrijf genaamd Expansion Technologies om de wereld te informeren over deze empowerment-theorieën. Natuurlijk kunnen mensen onze publicaties over dit onderwerp onafhankelijk bestuderen, maar als we onze ideeën naar de massa kunnen brengen, zullen veel wetenschappelijke en medische problemen veel gemakkelijker op te lossen zijn.
Ik moet meteen zeggen dat alle onderzoeksdata online te vinden is, we delen alle informatie openlijk. We hebben meer dan honderd groepen onderzoekers opgeleid. Iedereen kan desgewenst zelf een soortgelijk microscopisch onderzoek doen. Maar in tegenstelling tot optogenetica, waar u zich altijd tot een non-profitorganisatie kunt wenden om DNA gratis of voor geld te krijgen, vereist dit onderzoek de beschikbaarheid van chemicaliën, dus een bedrijf dat kits met noodzakelijke reagentia voor iedereen beschikbaar stelt, bespaart tijd.
We proberen gewoon altijd de positieve impact op de wereld te vergroten. We beginnen een project vaak door te denken: "Met welk probleem hebben duizenden onderzoekers, bedrijven en universiteiten?" En dan proberen we een tool te maken die hen kan helpen. Dus als het ons lukt, heeft het (praktisch per definitie) geen zin om het geheim te houden en voor onszelf. We proberen onze tools gewoon met zoveel mogelijk mensen te delen.
