Jak wielka nauka nie zdołała odkryć tajemnic ludzkiego mózgu

Wielkie, kosztowne wysiłki na rzecz mapowania mózgu rozpoczęły się dziesięć lat temu, ale w dużej mierze się nie powiodły. To dobre przypomnienie, jak złożony jest ten narząd.

Za pomocą

• Emily Mullin strona archiwum

25 sierpnia 2021

Andrea Daquino

We wrześniu 2011 r. grupa neurobiologów i nanonaukowców zebrała się w malowniczej posiadłości na angielskiej wsi na sympozjum, które miało połączyć ich dwie dziedziny.

Na spotkaniu neurobiolog Rafael Yuste z Uniwersytetu Columbia i genetyk z Harvardu George Church przedstawili niezbyt skromną propozycję: zmapowania aktywności całego ludzkiego mózgu na poziomie poszczególnych neuronów i uszczegółowienia, w jaki sposób te komórki tworzą obwody. Ta wiedza może zostać wykorzystana do leczenia zaburzeń mózgu, takich jak choroba Alzheimera, autyzm, schizofrenia, depresja i urazowe uszkodzenie mózgu. Pomogłoby to też odpowiedzieć na jedno z wielkich pytań nauki: w jaki sposób mózg wywołuje świadomość?

Ta historia była częścią naszego wydania z września 2021 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Yuste, Church i ich koledzy opracowali propozycję, która później zostanie… opublikowane w czasopiśmie Neuron . Ich ambicje były skrajne: zakrojony na dużą skalę międzynarodowy wysiłek publiczny, Projekt Mapy Aktywności Mózgu, mający na celu zrekonstruowanie pełnego zapisu aktywności neuronowej w całych obwodach neuronalnych. Pisali, że podobnie jak projekt ludzkiego genomu dziesięć lat wcześniej, projekt mózgu doprowadziłby do zupełnie nowych branż i przedsięwzięć komercyjnych.

Aby osiągnąć ten cel, potrzebne byłyby nowe technologie i właśnie tam wkroczyli nanonaukowcy. W tamtym czasie badacze mogli rejestrować aktywność zaledwie kilkuset neuronów jednocześnie — ale mając około 86 miliardów neuronów w ludzkim mózgu, było to podobne do oglądanie telewizji po jednym pikselu, Yuste przypomniał w 2017 roku. Naukowcy zaproponowali narzędzia do pomiaru każdego skoku z każdego neuronu, próbując zrozumieć, w jaki sposób odpalanie tych neuronów wytwarza złożone myśli.

Zuchwała propozycja zaintrygowała administrację Obamy i położyła podwaliny pod wieloletnią działalność Badania mózgu poprzez Inicjatywę Postępowej Innowacyjnej Neurotechnologii (BRAIN) , ogłoszony w kwietniu 2013 roku. Prezydent Obama nazwał to kolejnym wielkim amerykańskim projektem.

Powiązana historia

Dlaczego projekt mapowania mózgu Obamy ma znaczenie Obama wzywa do 100 milionów dolarów na opracowanie nowych technologii, które pozwolą zrozumieć mózg.

Ale to nie było pierwsze odważne przedsięwzięcie mózgu. W rzeczywistości kilka lat wcześniej Henry Markram, neurobiolog z Federalny Instytut Technologiczny w Lozannie w Szwajcarii postawił sobie jeszcze wyższy cel: stworzyć komputerową symulację żywego ludzkiego mózgu. Markram chciał zbudować w pełni cyfrowy, trójwymiarowy model w rozdzielczości pojedynczej komórki, śledząc liczne połączenia tych komórek. Możemy to zrobić w ciągu 10 lat – chwalił się podczas Prezentacja TED 2009 .

W styczniu 2013 roku, kilka miesięcy przed ogłoszeniem amerykańskiego projektu, UE przyznała Markramowi 1,3 miliarda dolarów na zbudowanie jego modelu mózgu. Projekty amerykańskie i unijne zapoczątkowały podobne zakrojone na szeroką skalę wysiłki badawcze w takich krajach, jak Japonia, Australia, Kanada, Chiny, Korea Południowa i Izrael. Rozpoczęła się nowa era neuronauki.

Niemożliwy sen?

Dziesięć lat później projekt amerykański dobiega końca, a projekt UE zbliża się do ostatecznego terminu budowy cyfrowego mózgu. Więc, jak poszło? Czy zaczęliśmy odkrywać sekrety ludzkiego mózgu? A może wydaliśmy dekadę i miliardy dolarów na pogoń za wizją, która pozostaje tak nieuchwytna jak zawsze?

Oba projekty od początku miały krytyków.

Naukowcy z UE martwią się kosztami programu Markram i sądzili, że wyeliminuje on inne badania z zakresu neuronauki. I nawet na pierwotnym spotkaniu w 2011 roku, na którym Yuste i Church przedstawili swoją ambitną wizję, wielu ich kolegów twierdziło, że po prostu niemożliwe jest zmapowanie złożonych wyładowań miliardów ludzkich neuronów. Inni twierdzili, że jest to wykonalne, ale będzie kosztować zbyt dużo pieniędzy i wygenerować więcej danych, niż naukowcy wiedzieliby, co zrobić.

W artykule, który ukazał się w Scientific American w 2013 roku, Partha Mitra, neurobiolog z Cold Spring Harbor Laboratory, ostrzegany przed irracjonalnym entuzjazmem za Mapą Aktywności Mózgu i zakwestionował, czy jej ogólny cel był sensowny.

Powiązana historia

Neuronaukowcy sprzeciwiają się europejskiemu projektowi ludzkiego mózgu Krytycy wzywają do przedwczesnego położenia nacisku na wielkoskalowe symulacje komputerowe w projekcie mózgu UE.

Twierdził, że nawet gdyby możliwe było jednoczesne rejestrowanie wszystkich impulsów ze wszystkich neuronów, mózg nie istnieje w izolacji: aby prawidłowo połączyć kropki, trzeba by jednocześnie rejestrować bodźce zewnętrzne, na które narażony jest mózg. , a także zachowanie organizmu. I doszedł do wniosku, że musimy zrozumieć mózg na poziomie makroskopowym, zanim spróbujemy rozszyfrować znaczenie wyładowań poszczególnych neuronów.

Inni mieli obawy co do wpływu centralizacji kontroli nad tymi dziedzinami. Cornelia Bargmann, neurobiolog z Rockefeller University, obawiała się, że wypchnie badania prowadzone przez indywidualnych badaczy. (Wkrótce Bargmann został wybrany do współkierowania grupą roboczą Inicjatywy BRAIN.)

Nie ma jednej, uzgodnionej teorii działania mózgu i nie wszyscy w tej dziedzinie zgodzili się, że budowanie symulowanego mózgu jest najlepszym sposobem na jego badanie.

Podczas gdy amerykańska inicjatywa szukała informacji od naukowców, aby wyznaczyć kierunek, projekt UE był zdecydowanie bardziej odgórny, z Markramem na czele. Ale jak dokumentuje Noah Hutton w swoim filmie z 2020 roku w krzemie , wielkie plany Markrama wkrótce się rozwikłały. Hutton, jako student neurobiologii, został przydzielony do czytania prac Markrama i był pod wrażeniem jego propozycji symulowania ludzkiego mózgu; kiedy zaczął robić filmy dokumentalne, postanowił opisać ten wysiłek. Wkrótce jednak zdał sobie sprawę, że miliardowe przedsięwzięcie charakteryzowało się bardziej walką wewnętrzną i zmianą celów niż przełomową nauką.

w krzemie ukazuje Markrama jako charyzmatycznego przywódcę, który musiał śmiało wypowiadać się na temat przyszłości neuronauki, aby przyciągnąć fundusze na realizację swojej konkretnej wizji. Jednak projekt był od początku zaniepokojony poważnym problemem: nie ma jednej, uzgodnionej teorii działania mózgu i nie wszyscy w tej dziedzinie zgodzili się, że budowanie symulowanego mózgu jest najlepszym sposobem na jego badanie. Nie trzeba było długo czekać na pojawienie się tych różnic w projekcie unijnym.

W 2014 roku setki ekspertów z całej Europy napisało pismo, w którym powołało się na obawy dotyczące nadzoru, mechanizmów finansowania i przejrzystości działań Projekt ludzkiego mózgu . Naukowcy uznali, że cel Markrama był przedwczesny i zbyt wąski, co wykluczyłoby finansowanie badaczy, którzy szukali innych sposobów badania mózgu.

Uderzyło mnie to, że jeśli odniósł sukces i włączył go, a symulowany mózg zadziałał, czego się nauczyłeś? Terry Sejnowski, neurobiolog obliczeniowy w Instytucie Salka, który służył w komitecie doradczym Inicjatywy BRAIN, powiedział mi. Symulacja jest tak samo skomplikowana jak mózg.

Rada dyrektorów Human Brain Project zagłosowała za zmianą organizacji i kierownictwa na początku 2015 roku, zastępując trzyosobowy komitet wykonawczy kierowany przez Markrama na 22-osobową radę zarządzającą. Christoph Ebell, szwajcarski przedsiębiorca z doświadczeniem w dyplomacji naukowej, został mianowany dyrektorem wykonawczym. Kiedy przejąłem, projekt był w punkcie krytycznym, mówi. Ludzie otwarcie zastanawiali się, czy projekt pójdzie naprzód.

Ale kilka lat później i on odszedł, po strategicznej sporze z instytucją goszczącą projekt. Projekt koncentruje się obecnie na zapewnieniu nowej infrastruktury do badań obliczeniowych, aby pomóc neurologom w przechowywaniu, przetwarzaniu i analizowaniu dużych ilości danych — niesystematyczne zbieranie danych było problemem w tej dziedzinie — oraz opracowywaniu atlasów mózgu 3D i oprogramowania do tworzenia symulacji.

Tymczasem Inicjatywa US BRAIN przeszła własne zmiany. Na początku, w 2014 roku, odpowiadając na obawy naukowców i uznając ograniczenia tego, co było możliwe, przekształcił się w coś bardziej pragmatycznego, koncentrując się na rozwój technologii do badania mózgu.

Nowy dzień

Zmiany te w końcu zaczęły przynosić rezultaty – nawet jeśli nie były to te, które pierwotnie przewidywali założyciele każdego z dużych projektów dotyczących mózgu.

W zeszłym roku Human Brain Project wypuścił Mapa cyfrowa 3D integrująca różne aspekty organizacji ludzkiego mózgu na poziomie milimetra i mikrometra. Zasadniczo jest to Google Earth dla mózgu.

Powiązana historia

Szczegółowy trójwymiarowy atlas ludzkiego mózgu Naukowcy zobrazowali anatomię całego ludzkiego mózgu w bezprecedensowej rozdzielczości.

A na początku tego roku Alipasha Vaziri, neurobiolog finansowany przez Inicjatywę BRAIN, i jego zespół z Rockefeller University poinformowali we wstępnym artykule, że jednocześnie zarejestrowali aktywność ponad miliona neuronów w korze myszy. Jest to największy dotychczas dokonany zapis aktywności kory mózgowej zwierząt, choć daleki od słuchania wszystkich 86 miliardów neuronów w ludzkim mózgu, jak oczekiwano w pierwotnej Mapie aktywności mózgu.

Wysiłki USA wykazały również pewien postęp w próbach stworzenia nowych narzędzi do badania mózgu. Przyspieszył rozwój optogenetyki, podejścia wykorzystującego światło do kontrolowania neuronów, a jego finansowanie doprowadziło do powstania nowych elektrod krzemowych o dużej gęstości, zdolnych do jednoczesnego rejestrowania z setek neuronów. I prawdopodobnie przyspieszyło rozwój sekwencjonowania pojedynczych komórek. We wrześniu naukowcy korzystający z tych postępów opublikują szczegółową klasyfikację typów komórek w korze ruchowej myszy i człowieka — największy dotychczas wynik Inicjatywy BRAIN.

Chociaż są to ważne kroki naprzód, daleko im do początkowych wielkich ambicji.

Trwałe dziedzictwo

Wchodzimy teraz w ostatnią fazę tych projektów — wysiłki UE zakończą się w 2023 r., podczas gdy inicjatywa amerykańska ma być finansowana do 2026 r. To, co wydarzy się w nadchodzących latach, określi, jak duży wpływ będą one miały na dziedzina neuronauki.

Kiedy zapytałem Ebella, co uważa za największe osiągnięcie Projektu Ludzki Mózg, nie wymienił żadnego osiągnięcia naukowego. Zamiast tego wskazał na EBRAIN , platforma uruchomiona w kwietniu tego roku, aby pomóc neurologom w pracy z danymi neurologicznymi, modelowaniu i symulowaniu funkcji mózgu. Oferuje naukowcom szeroki zakres danych i łączy w jednym systemie wiele najbardziej zaawansowanych europejskich laboratoriów, centrów superkomputerowych, klinik i centrów technologicznych.

Jeśli zapytasz mnie: „Czy jesteś zadowolony z tego, jak to się potoczyło?” Powiedziałbym, że tak, powiedział Ebell. Czy doprowadziło to do przełomu, którego niektórzy oczekiwali, jeśli chodzi o uzyskanie zupełnie nowego zrozumienia mózgu? Może nie.

Katrin Amunts, neurobiolog z Uniwersytetu w Düsseldorfie, która od 2016 roku jest dyrektorem naukowym Human Brain Project, mówi, że choć marzenie Markrama o symulowaniu ludzkiego mózgu nie zostało jeszcze zrealizowane, to jest coraz bliżej. Poświęcimy ostatnie trzy lata na przeprowadzenie takich symulacji – mówi. Ale nie będzie to duży, pojedynczy model — zamiast tego potrzeba kilku podejść symulacyjnych, aby zrozumieć mózg w całej jego złożoności.

Tymczasem Inicjatywa BRAIN przyznała naukowcom ponad 900 grantów na łączną kwotę około 2 miliardów dolarów. Przewiduje się, że National Institutes of Health wyda na ten projekt prawie 6 miliardów dolarów do czasu jego zakończenia.

W ostatniej fazie inicjatywy BRAIN naukowcy spróbują zrozumieć, jak działają obwody mózgowe, tworząc diagramy połączonych neuronów. Ale roszczenia dotyczące tego, co można osiągnąć, są znacznie bardziej powściągliwe niż na początku projektu. Naukowcy zdają sobie teraz sprawę, że zrozumienie mózgu będzie ciągłym zadaniem – nie jest to coś, co można sfinalizować w terminie projektu, nawet jeśli projekt ten spełnia swoje określone cele.

Z zupełnie nowym narzędziem lub wspaniałym nowym mikroskopem wiesz, kiedy go masz. Jeśli mówisz o zrozumieniu, jak działa część mózgu lub jak mózg faktycznie wykonuje zadanie, znacznie trudniej jest określić, czym jest sukces, mówi Eve Marder, neurobiolog z Brandeis University. A sukces dla jednej osoby byłby tylko początkiem historii dla innej osoby.

Yuste i jego koledzy mieli rację, że do badania mózgu w bardziej znaczący sposób potrzebne będą nowe narzędzia i techniki. Teraz naukowcy będą musieli wymyślić, jak z nich korzystać. Ale zamiast odpowiedzieć na pytanie o świadomość, opracowanie tych metod, jeśli w ogóle, otworzyło tylko więcej pytań na temat mózgu – i pokazało, jak bardzo jest on złożony.

Muszę być szczery, mówi Yuste. Mieliśmy większe nadzieje.

Emily Mullin jest niezależnym dziennikarzem z Pittsburgha, który koncentruje się na biotechnologii.

ukryć