211service.com
Łamanie kodów mózgu
Jak mózg mówi do siebie? 17 czerwca 2014
w Czym jest życie? (1944), jednym z podstawowych pytań postawionych przez fizyka Erwina Schrödingera było to, czy w chromosomach jest jakiś dziedziczny kod-skrypt. Dziesięć lat później Crick i Watson odpowiedzieli twierdząco na pytanie Schrödingera. Informacje genetyczne były przechowywane w prostym ułożeniu nukleotydów wzdłuż długich łańcuchów DNA.
Pytanie brzmiało, co oznaczały te wszystkie nitki DNA. Jak większość dzieci w wieku szkolnym już wie, w środku zawarty był kod: sąsiadujące ze sobą tria nukleotydów, tak zwanych kodonów, są transkrybowane z DNA na przejściowe sekwencje cząsteczek RNA, które są tłumaczone na długie łańcuchy aminokwasów, które znamy jako białka. Złamanie tego kodu okazało się podporą praktycznie wszystkiego, co nastąpiło w biologii molekularnej. Tak się składa, że kod do translacji trójek nukleotydów na aminokwasy (np. nukleotydowy kod AAG dla aminokwasu lizyny) okazał się uniwersalny; komórki we wszystkich organizmach, dużych i małych — bakterie, olbrzymie sekwoje, psy i ludzie — używają tego samego kodu z niewielkimi zmianami. Czy neuronauka kiedykolwiek odkryje coś o podobnym pięknie i mocy, kod główny, który pozwoli nam dowolnie interpretować każdy wzorzec aktywności neuronowej?
Ta historia była częścią naszego wydania z lipca 2014 r.
- Zobacz resztę numeru
- Subskrybuj
Stawką jest praktycznie każdy radykalny postęp w neuronauce, jaki możemy sobie wyobrazić – implanty mózgowe, które poprawiają nasze wspomnienia lub leczą zaburzenia psychiczne, takie jak schizofrenia i depresja, oraz neuroprotezy, które umożliwiają sparaliżowanym pacjentom poruszanie kończynami. Ponieważ wszystko, co myślisz, pamiętasz i czujesz, jest w jakiś sposób zakodowane w twoim mózgu, odszyfrowanie aktywności mózgu będzie ogromnym krokiem w kierunku przyszłości neuroinżynierii.
Pewnego dnia elektronika wszczepiona bezpośrednio do mózgu umożliwi pacjentom z uszkodzeniem rdzenia kręgowego ominięcie dotkniętych nerwów nerwów i kontrolowanie robotów swoimi myślami (zob. Eksperyment myślowy). Przyszłe systemy biofeedbacku mogą nawet być w stanie przewidzieć objawy zaburzeń psychicznych i je powstrzymać. Tam, gdzie ludzie w teraźniejszości używają klawiatur i ekranów dotykowych, nasi potomkowie za sto lat mogą używać bezpośrednich interfejsów mózg-maszyna.
Ale żeby to zrobić — zbudować oprogramowanie, które może komunikować się bezpośrednio z mózgiem — musimy złamać jego kody. Musimy się nauczyć, jak patrzeć na zestawy neuronów, mierzyć, jak się aktywują, i dokonywać inżynierii wstecznej ich wiadomości.
Chaos kodów
Już zaczynamy odkrywać wskazówki dotyczące działania kodowania w mózgu. Być może najbardziej fundamentalna: z wyjątkiem niektórych najmniejszych stworzeń, takich jak glista C. elegans , podstawową jednostką komunikacji i kodowania neuronowego jest skok (lub potencjał czynnościowy), impuls elektryczny o wartości około jednej dziesiątej wolta, który trwa nieco krócej niż milisekunda. Na przykład w układzie wzrokowym promienie światła wchodzące do siatkówki są szybko przekształcane w kolce wysyłane przez nerw wzrokowy, wiązkę około miliona przewodów wyjściowych, zwanych aksonami, które biegną od oka do reszty mózgu. Dosłownie wszystko, co widzisz, opiera się na tych skokach, każdy neuron siatkówki wysyła impulsy z inną częstotliwością, w zależności od natury bodźca, aby dostarczyć kilka megabajtów informacji wizualnych na sekundę. Mózg jako całość, przez całe nasze życie na jawie, jest prawdziwą symfonią impulsów nerwowych — być może bilion na sekundę. W dużej mierze rozszyfrowanie mózgu to wywnioskowanie znaczenia jego kolców.
Ale wyzwaniem jest to, że kolce oznaczają różne rzeczy w różnych kontekstach. Jest już jasne, że neuronaukowcy raczej nie będą mieli tyle szczęścia co biolodzy molekularni. Podczas gdy kod przekształcający nukleotydy w aminokwasy jest prawie uniwersalny, używany zasadniczo w ten sam sposób w całym ciele i w świecie przyrody, kod szpikulca do informacji jest prawdopodobnie mieszanką: nie tylko jednego kodu, ale wielu, różniących się nie tylko do pewnego stopnia między różnymi gatunkami, ale nawet między różnymi częściami mózgu. Mózg ma wiele funkcji, od kontrolowania naszych mięśni i głosu po interpretację otaczających nas widoków, dźwięków i zapachów, a każdy rodzaj problemu wymaga własnego rodzaju kodów.
Porównanie z kodami komputerowymi wyjaśnia, dlaczego należy się tego spodziewać. Weź pod uwagę prawie wszechobecny kod ASCII reprezentujący 128 znaków, w tym cyfry i tekst alfanumeryczny, używany w komunikacji, takiej jak zwykłe wiadomości e-mail. Prawie każdy nowoczesny komputer używa kodu ASCII, który koduje wielką literę A jako 100 0001, B jako 100 0010, C jako 100 0011 i tak dalej. Jednak jeśli chodzi o obrazy, ten kod jest bezużyteczny i trzeba stosować różne techniki. Na przykład nieskompresowane obrazy bitmapowe przypisują ciągi bajtów do reprezentowania intensywności kolorów czerwonego, zielonego i niebieskiego dla każdego piksela w tablicy tworzącej obraz. Różne kody reprezentują grafikę wektorową, filmy lub pliki dźwiękowe.
Niektóre z najważniejszych kodów w mózgu każdego zwierzęcia to te, których używa do określenia jego lokalizacji w przestrzeni. Jak działa nasz wewnętrzny GPS? W jaki sposób wzorce aktywności neuronowej kodują miejsce, w którym się znajdujemy, gdy się poruszamy?
Dowody wskazują ten sam kierunek dla mózgu. Zamiast jednego uniwersalnego kodu wyjaśniającego, co oznaczają wzorce skoków, wydaje się, że jest ich wiele, w zależności od rodzaju informacji, które mają być zakodowane. Na przykład dźwięki są z natury jednowymiarowe i zmieniają się szybko w czasie, podczas gdy obrazy płynące z siatkówki są dwuwymiarowe i mają tendencję do zmiany w bardziej przemyślanym tempie. Węch, który zależy od stężenia setek substancji zapachowych unoszących się w powietrzu, jest całkowicie uzależniony od innego systemu. To powiedziawszy, istnieje kilka ogólnych zasad. Najważniejsze nie jest to, kiedy dany neuron ma impulsy, ale jak często ma to miejsce; główną walutą jest szybkostrzelność.
Rozważmy na przykład neurony w korze wzrokowej, obszarze, który otrzymuje impulsy z nerwu wzrokowego za pośrednictwem przekaźnika we wzgórzu. Te neurony reprezentują świat w kategoriach podstawowych elementów tworzących każdą scenę wizualną – linie, punkty, krawędzie i tak dalej. Dany neuron w korze wzrokowej może być najsilniej stymulowany przez pionowe linie. Gdy linia jest obracana, szybkość, z jaką ten neuron się uruchamia, zmienia się: cztery skoki na dziesiątą część sekundy, jeśli linia jest pionowa, ale być może tylko raz w tym samym przedziale, jeśli jest obrócona o 45 ° w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Chociaż neuron najbardziej reaguje na pionowe linie, nigdy nie jest wyciszony. Żaden pojedynczy skok nie sygnalizuje, czy reaguje na pionową linię, czy na coś innego. Tylko sumarycznie — w tempie odpalania neuronu w czasie — można rozpoznać znaczenie jego aktywności.
Ta strategia, znana jako kodowanie szybkości, jest używana na różne sposoby w różnych układach mózgowych, ale jest powszechna w całym mózgu. Różne subpopulacje neuronów kodują poszczególne aspekty świata w podobny sposób — używając szybkości wyzwalania do reprezentowania zmian jasności, prędkości, odległości, orientacji, koloru, wysokości, a nawet informacji dotykowych, takich jak pozycja ukłucia szpilki na dłoni . Poszczególne neurony uruchamiają się najszybciej, gdy wykryją preferowany bodziec, a wolniej, gdy tego nie robią.
Aby to skomplikować, skoki pochodzące z różnych rodzajów komórek kodują różne rodzaje informacji. Siatkówka jest misternie ułożonym kawałkiem tkanki układu nerwowego, który wyściela tył każdego oka. Jego zadaniem jest przekształcenie strumienia nadchodzących fotonów w wychodzące impulsy impulsów elektrycznych. Neuroanatomowie zidentyfikowali co najmniej 60 różnych typów neuronów siatkówki, z których każdy ma swój własny, wyspecjalizowany kształt i funkcję. Aksony 20 różnych typów komórek siatkówki tworzą nerw wzrokowy, jedyne wyjście oka. Niektóre z tych komórek sygnalizują ruch w kilku głównych kierunkach; inne specjalizują się w sygnalizowaniu ogólnej jasności obrazu lub lokalnego kontrastu; jeszcze inne niosą informacje dotyczące koloru. Każda z tych populacji równolegle przesyła własne dane do różnych ośrodków przetwarzania przed okiem. Aby zrekonstruować naturę informacji, które koduje siatkówka, naukowcy muszą śledzić nie tylko szybkość impulsów każdego neuronu, ale także tożsamość każdego typu komórki. Cztery impulsy pochodzące z jednego typu komórki mogą kodować mały kolorowy blob, podczas gdy cztery impulsy z innego typu komórki mogą kodować poruszający się szary wzór. Liczba skoków jest bez znaczenia, chyba że wiemy, z jakiego konkretnego rodzaju komórki pochodzą.
A to, co dotyczy siatkówki, wydaje się utrzymywać w całym mózgu. Ogólnie rzecz biorąc, w ludzkim mózgu może istnieć do tysiąca typów komórek nerwowych, z których każda prawdopodobnie ma swoją unikalną rolę.
Mądrość tłumów
Zazwyczaj ważne kody w mózgu obejmują działanie wielu neuronów, a nie tylko jednego. Na przykład widok twarzy wyzwala aktywność tysięcy neuronów w sektorach wyższego rzędu kory wzrokowej. Każda komórka reaguje nieco inaczej, reagując na inny szczegół — dokładny kształt twarzy, odcień skóry, kierunek, w którym skupiają się oczy i tak dalej. Większe znaczenie tkwi w zbiorowej odpowiedzi komórek.
Główny przełom w zrozumieniu tego zjawiska, znanego jako kodowanie populacyjne, nastąpił w 1986 roku, kiedy Apostolos Georgopoulos, Andrew Schwartz i Ronald Kettner z Johns Hopkins University School of Medicine dowiedzieli się, jak zestaw neuronów w korze ruchowej małp koduje kierunek. w którym małpa porusza kończyną. Żaden neuron nie określił w pełni, gdzie kończyna będzie się poruszać, ale informacje zagregowane w całej populacji neuronów tak. Georgopoulos i jego koledzy odkryli, że obliczając rodzaj średniej ważonej wszystkich neuronów, które zadziałały, mogli wiarygodnie i precyzyjnie wywnioskować zamierzony ruch ramienia małpy.
Jedna z pierwszych ilustracji tego, co może kiedyś osiągnąć neurotechnologia, opiera się bezpośrednio na tym odkryciu. Neurobiolog z Brown University, John Donoghue, wykorzystał ideę kodowania populacyjnego do zbudowania dekoderów neuronowych — zawierających zarówno oprogramowanie, jak i elektrody — które interpretują odpalanie neuronowe w czasie rzeczywistym. Zespół Donoghue wszczepił podobny do szczoteczki układ mikroelektrod bezpośrednio do kory ruchowej sparaliżowanego pacjenta, aby zarejestrować aktywność nerwową, gdy pacjent wyobrażał sobie różne rodzaje aktywności ruchowej. Za pomocą algorytmów, które zinterpretowały te sygnały, pacjent mógł wykorzystać wyniki do sterowania ramieniem robota. Kontrola umysłu ramienia robota jest nadal powolna i niezdarna, podobnie jak kierowanie poruszającą się furgonetką. Ale praca ta jest mocną wskazówką tego, co ma nadejść, gdy poprawi się nasza zdolność do dekodowania aktywności mózgu.
Wśród najważniejszych kodów w mózgu każdego zwierzęcia są te, których używa do określenia jego lokalizacji w przestrzeni. Jak działa nasz wewnętrzny GPS? Jak zakodowane są wzorce aktywności neuronowej w miejscu, w którym się znajdujemy? Pierwsza ważna wskazówka pojawiła się na początku lat 70. wraz z odkryciem przez Johna O’Keefe z University College w Londynie tego, co stało się znane jako komórki miejsca w hipokampie szczurów. Takie komórki zapalają się za każdym razem, gdy zwierzę przechodzi lub biegnie przez określoną część znajomego środowiska. W laboratorium komórka jednego miejsca może strzelać najczęściej, gdy zwierzę znajduje się w pobliżu rozgałęzienia labiryntu; inny może reagować najbardziej aktywnie, gdy zwierzę znajduje się blisko punktu wejścia. Zespół męża i żony Edwarda i May-Britt Moser odkrył drugi rodzaj kodowania przestrzennego oparty na tak zwanych komórkach siatki. Te neurony aktywują się najaktywniej, gdy zwierzę znajduje się na wierzchołkach wyobrażonej siatki geometrycznej reprezentującej jego środowisko. Dzięki zestawom takich komórek zwierzę jest w stanie triangulować swoją pozycję nawet w ciemności. (Wydaje się, że istnieją co najmniej cztery różne zestawy tych komórek siatki w różnych rozdzielczościach, co pozwala na dokładny stopień reprezentacji przestrzennej).
Inne kody pozwalają zwierzętom kontrolować działania, które mają miejsce w czasie. Przykładem jest obwód odpowiedzialny za wykonywanie sekwencji motorycznych leżących u podstaw śpiewu ptaków śpiewających. Dorosłe samce zięb śpiewają do swoich partnerek, a każda stereotypowa piosenka trwa zaledwie kilka sekund. Jak odkryli Michale Fee i jego współpracownicy z MIT, neurony jednego typu w określonej strukturze są całkowicie ciche, dopóki ptak nie zacznie śpiewać. Za każdym razem, gdy ptak osiąga określony punkt w swojej pieśni, neurony te nagle wybuchają pojedynczą eksplozją trzech do pięciu ciasno skupionych kolców, po czym ponownie milkną. Różne neurony wybuchają w różnym czasie. Wydaje się, że poszczególne skupiska neuronów kodują porządek czasowy, z których każdy reprezentuje określony moment w ptasiej pieśni.
Kodowanie babci
W przeciwieństwie do maszyny do pisania, w której pojedynczy klawisz jednoznacznie określa każdą literę, kod ASCII wykorzystuje wiele bitów do określenia litery: jest to przykład tego, co informatycy nazywają kodem rozproszonym. W podobny sposób teoretycy często wyobrażali sobie, że złożone pojęcia mogą być wiązkami indywidualnych cech; koncepcja berneńskiego psa górskiego może być reprezentowana przez neurony, które działają w odpowiedzi na pojęcia takie jak pies, kochający śnieg, przyjazny, duży, brązowy, czarny itd., podczas gdy wiele innych neuronów, takich jak te, które reagują na pojazdy lub koty , nie strzela. Łącznie ta duża populacja neuronów może reprezentować koncepcję.
Jest powód do nadziei. Optogenetyka umożliwia teraz naukowcom włączanie i wyłączanie genetycznie zidentyfikowanych klas neuronów za pomocą kolorowych wiązek światła. Może to znacznie przyspieszyć wyszukiwanie kodów.
Znacznie mniej uwagi poświęcono alternatywnemu pojęciu, zwanemu kodowaniem rzadkim. Rzeczywiście, neuronaukowcy kiedyś zlekceważyli ten pomysł jako kodowanie komórek babci. Ten szyderczy termin sugerował hipotetyczny neuron, który uruchomi się tylko wtedy, gdy jego właściciel zobaczy lub pomyśli o swojej babci – z pewnością, lub tak się wydawało, niedorzeczny pomysł.
Ale ostatnio jeden z nas (Koch) pomógł odkryć dowody na wariację na ten temat. Chociaż nie ma powodu sądzić, że pojedynczy neuron w twoim mózgu reprezentuje twoją babcię, teraz wiemy, że pojedyncze neurony (lub przynajmniej stosunkowo małe ich grupy) mogą reprezentować pewne koncepcje z dużą szczegółowością. Nagrania z mikroelektrod wszczepionych głęboko w mózgi pacjentów z padaczką ujawniły pojedyncze neurony, które reagowały na niezwykle specyficzne bodźce, takie jak celebryci czy znajome twarze. Na przykład jedna taka komórka odpowiedziała na różne zdjęcia aktorki Jennifer Aniston. Inni odpowiedzieli na zdjęcia Luke'a Skywalkera z Gwiezdne Wojny sława lub jego imię wypisane. Znana nazwa może być reprezentowana przez zaledwie sto, a nawet milion neuronów w ludzkim hipokampie i sąsiednich regionach.
Takie odkrycia sugerują, że mózg może rzeczywiście połączyć małe grupy neuronów, aby kodować ważne rzeczy, z którymi wciąż się styka, rodzaj neuronowego skrótu, który może być korzystny dla szybkiego kojarzenia i integrowania nowych faktów z wcześniej istniejącą wiedzą.
Nieznana kraina
Jeśli neuronauka poczyniła prawdziwy postęp w ustalaniu, w jaki sposób dany organizm koduje to, czego doświadcza w danym momencie, musi iść dalej w kierunku zrozumienia, w jaki sposób organizmy kodują swoją długoterminową wiedzę. Oczywiście nie przetrwalibyśmy długo na tym świecie, gdybyśmy nie mogli nauczyć się nowych umiejętności, takich jak zaaranżowana sekwencja działań i decyzji związanych z prowadzeniem samochodu. Jednak dokładna metoda, za pomocą której to robimy, pozostaje tajemnicą. Kolce są konieczne, ale niewystarczające, aby przełożyć intencję na działanie. Pamięć długotrwała — podobnie jak wiedza, którą rozwijamy w miarę nabywania umiejętności — jest kodowana inaczej, nie przez salwy stale krążących kolców, ale raczej przez dosłowne przeprogramowanie naszych sieci neuronowych.
To ponowne okablowanie jest osiągane przynajmniej częściowo poprzez ponowne wyrzeźbienie synaps łączących neurony. Wiemy, że zaangażowanych jest wiele różnych procesów molekularnych, ale wciąż niewiele wiemy o tym, które synapsy są modyfikowane i kiedy, i prawie nic o tym, jak cofać się od diagramu połączeń neuronowych do poszczególnych zakodowanych wspomnień.
Kolejna tajemnica dotyczy sposobu, w jaki mózg reprezentuje frazy i zdania. Nawet jeśli istnieje mały zestaw neuronów definiujących pojęcie, takie jak twoja babcia, jest mało prawdopodobne, że twój mózg przydzielił określone zestawy neuronów do złożonych pojęć, które są mniej powszechne, ale nadal natychmiast zrozumiałe, jak babka ze strony matki Baracka Obamy. Podobnie mało prawdopodobne jest, aby mózg przez cały czas poświęcał konkretne neurony na reprezentowanie każdego nowego zdania, które słyszymy lub tworzymy. Zamiast tego, za każdym razem, gdy interpretujemy lub tworzymy nowe zdanie, mózg prawdopodobnie integruje wiele populacji neuronowych, łącząc kody podstawowych elementów (takich jak pojedyncze słowa i pojęcia) w system reprezentujący złożone, kombinatoryczne całości. Jak dotąd nie mamy pojęcia, jak to się dzieje.
Jednym z powodów, dla których takie pytania o schematy kodowania informacji w mózgu okazały się tak trudne do rozwiązania, jest to, że ludzki mózg jest tak niezwykle złożony, obejmuje 86 miliardów neuronów połączonych czymś w rodzaju biliarda połączeń synaptycznych. Innym jest to, że nasze techniki obserwacyjne pozostają surowe. Najpopularniejsze narzędzia do obrazowania do zaglądania do ludzkiego mózgu nie mają rozdzielczości przestrzennej, aby wychwycić pojedyncze neurony w akcie wystrzeliwania. Aby badać systemy kodowania neuronowego, które są unikalne dla ludzi, takie jak te używane w języku, prawdopodobnie potrzebujemy narzędzi, których jeszcze nie wynaleziono, lub przynajmniej znacznie lepszych sposobów badania wysoce rozproszonych populacji pojedynczych neuronów w żywym mózgu.
Warto również zauważyć, że to, co próbują zrobić neuroinżynierowie, przypomina trochę podsłuchiwanie — podsłuchiwanie wewnętrznej komunikacji mózgu, aby spróbować zrozumieć, co mają na myśli. Niektóre z tych podsłuchów mogą nas zmylić. Każdy kod neuronowy, który możemy złamać, powie nam coś o tym, jak działa mózg, ale nie każdy kod, który złamujemy, jest czymś, z czego sam mózg korzysta bezpośrednio. Niektóre z nich mogą być epifenomenami – przypadkowymi tikami, które nawet jeśli okażą się przydatne w zastosowaniach inżynieryjnych i klinicznych, mogą być przeszkodą na drodze do pełnego zrozumienia mózgu.
Niemniej jednak istnieją powody do optymizmu, że zmierzamy w kierunku tego zrozumienia. Optogenetyka umożliwia teraz naukowcom włączanie i wyłączanie genetycznie zidentyfikowanych klas neuronów za pomocą kolorowych wiązek światła. Dowolną populację neuronów, która ma znany, unikalny molekularny kod pocztowy, można oznaczyć znacznikiem fluorescencyjnym, a następnie doprowadzić do impulsów z dokładnością do milisekundy lub uniemożliwić impulsy. Pozwala to neurologom przejść od obserwacji aktywności neuronalnej do delikatnego, przejściowego i odwracalnego ingerowania w nią. Optogenetyka, stosowana obecnie głównie u much i myszy, znacznie przyspieszy wyszukiwanie kodów neuronowych. Zamiast jedynie korelować wzorce impulsów z zachowaniem, eksperymentatorzy będą mogli zapisywać wzorce informacji i bezpośrednio badać wpływ na obwody mózgowe i zachowanie żywych zwierząt. Odszyfrowanie kodów neuronowych to tylko część bitwy. Złamanie wielu kodów mózgu nie powie nam wszystkiego, co chcemy wiedzieć, podobnie jak zrozumienie kodów ASCII samo w sobie może nam powiedzieć, jak działa edytor tekstu. Mimo to jest to niezbędny warunek wstępny do budowy technologii, które naprawiają i wzmacniają mózg.
Weźmy na przykład nowe próby wykorzystania optogenetyki do leczenia formy ślepoty spowodowanej zaburzeniami zwyrodnieniowymi, takimi jak barwnikowe zwyrodnienie siatkówki, które atakują światłoczułe komórki oka. Jedna z obiecujących strategii wykorzystuje wirusa wstrzykniętego do gałek ocznych, aby genetycznie zmodyfikować komórki zwojowe siatkówki, tak aby odpowiadały na światło. Kamera zamontowana na okularach wysyłałaby wiązki światła do siatkówki i wyzwalała aktywność elektryczną w genetycznie zmodyfikowanych komórkach, co bezpośrednio stymulowałoby następny zestaw neuronów na ścieżce sygnału — przywracając wzrok. Ale żeby to zadziałało, naukowcy będą musieli nauczyć się języka tych neuronów. Gdy nauczymy się komunikować z mózgiem w jego własnym języku, wkrótce mogą pojawić się zupełnie nowe światy możliwości.
Christof Koch jest dyrektorem naukowym Instytutu Nauki o Mózgu im. Allena w Seattle. Gary Marcus, profesor psychologii na Uniwersytecie Nowojorskim i częsty bloger Nowojorczyk , jest współredaktorem nadchodzącej książki Przyszłość mózgu.