211service.com
Å knekke hjernens koder
Hvordan snakker hjernen til seg selv? 17. juni 2014
I Hva er livet? (1944), var et av de grunnleggende spørsmålene fysikeren Erwin Schrödinger stilte om det var en slags arvelig kodeskript innebygd i kromosomer. Et tiår senere svarte Crick og Watson på Schrödingers spørsmål bekreftende. Genetisk informasjon ble lagret i det enkle arrangementet av nukleotider langs lange DNA-strenger.
Spørsmålet var hva alle disse DNA-strengene betydde. Som de fleste skoleelever nå vet, var det en kode inne i: tilstøtende trioer av nukleotider, såkalte kodoner, blir transkribert fra DNA til forbigående sekvenser av RNA-molekyler, som blir oversatt til de lange kjedene av aminosyrer som vi kjenner som proteiner. Å knekke den koden viste seg å være en knutepunkt for praktisk talt alt som fulgte innen molekylærbiologi. Som det skjer, viste koden for å oversette trioer av nukleotider til aminosyrer (for eksempel nukleotidene AAG-koden for aminosyren lysin) å være universell; celler i alle organismer, store eller små – bakterier, gigantiske sequoiaer, hunder og mennesker – bruker den samme koden med mindre variasjoner. Vil nevrovitenskap noen gang oppdage noe med lignende skjønnhet og kraft, en mesterkode som lar oss tolke ethvert mønster av nevral aktivitet etter eget ønske?
Denne historien var en del av vår utgave av juli 2014
- Se resten av saken
- Abonnere
På spill står praktisk talt alle radikale fremskritt innen nevrovitenskap som vi kanskje kan forestille oss – hjerneimplantater som forbedrer minnene våre eller behandler psykiske lidelser som schizofreni og depresjon, for eksempel, og nevroproteser som lar lammede pasienter bevege lemmene. Fordi alt du tenker, husker og føler er kodet i hjernen din på en eller annen måte, vil dechiffrering av hjernens aktivitet være et stort skritt mot fremtiden for nevroteknikk.
En dag vil elektronikk implantert direkte i hjernen gjøre det mulig for pasienter med ryggmargsskade å omgå de berørte nervene og kontrollere roboter med tankene sine (se Tankeeksperimentet ). Fremtidige biofeedback-systemer kan til og med være i stand til å forutse tegn på psykisk lidelse og avverge dem. Der folk i dag bruker tastaturer og berøringsskjermer, kan våre etterkommere om hundre år bruke direkte hjerne-maskin-grensesnitt.
Men for å gjøre det – for å bygge programvare som kan kommunisere direkte med hjernen – må vi knekke kodene. Vi må lære å se på sett med nevroner, måle hvordan de skyter, og reversere budskapet deres.
Et kaos av koder
Vi begynner allerede å finne ledetråder om hvordan hjernens koding fungerer. Kanskje det mest grunnleggende: bortsett fra i noen av de minste skapningene, som rundormen C. elegans , er den grunnleggende enheten for nevronal kommunikasjon og koding piggen (eller aksjonspotensialet), en elektrisk impuls på omtrent en tiendedel av en volt som varer i litt mindre enn et millisekund. I det visuelle systemet, for eksempel, blir lysstråler som kommer inn i netthinnen umiddelbart oversatt til pigger som sendes ut på synsnerven, bunten av rundt en million utgangsledninger, kalt aksoner, som går fra øyet til resten av hjernen. Bokstavelig talt alt du ser er basert på disse toppene, hver retinal nevron avfyrer med en annen hastighet, avhengig av arten av stimulansen, for å gi flere megabyte med visuell informasjon per sekund. Hjernen som helhet, gjennom hele vårt våkne liv, er en veritabel symfoni av nevrale pigger - kanskje en billion per sekund. I stor grad er å dechiffrere hjernen å utlede betydningen av dens pigger.
Men utfordringen er at pigger betyr forskjellige ting i ulike sammenhenger. Det er allerede klart at nevroforskere neppe er like heldige som molekylærbiologer. Mens koden som konverterer nukleotider til aminosyrer er nesten universell, brukt på i hovedsak samme måte i hele kroppen og i hele den naturlige verden, er spike-to-informasjon-koden sannsynligvis et sammensurium: ikke bare én kode, men mange, som ikke er forskjellige. bare til en viss grad mellom ulike arter, men til og med mellom ulike deler av hjernen. Hjernen har mange funksjoner, fra å kontrollere musklene og stemmen til å tolke synet, lydene og luktene som omgir oss, og hver type problem krever sine egne typer koder.
En sammenligning med datakoder gjør det klart hvorfor dette er å forvente. Tenk på den nesten allestedsnærværende ASCII-koden som representerer de 128 tegnene, inkludert tall og alfanumerisk tekst, som brukes i kommunikasjon som ren tekst e-post. Nesten alle moderne datamaskiner bruker ASCII, som koder for stor bokstav A som 100 0001, B som 100 0010, C som 100 0011, og så videre. Når det kommer til bilder, er imidlertid den koden ubrukelig, og forskjellige teknikker må brukes. Ukomprimerte punktgrafikkbilder, for eksempel, tilordner strenger med byte for å representere intensiteten til fargene rød, grønn og blå for hver piksel i matrisen som utgjør et bilde. Ulike koder representerer vektorgrafikk, filmer eller lydfiler.
Noen av de viktigste kodene i et dyrs hjerne er de det bruker for å finne sin plassering i verdensrommet. Hvordan fungerer vår egen interne GPS? Hvordan koder mønstre for nevral aktivitet der vi er mens vi beveger oss?
Bevis peker i samme retning for hjernen. I stedet for en enkelt universell kode som staver ut hva mønstre av pigger betyr, ser det ut til å være mange, avhengig av hva slags informasjon som skal kodes. Lyder, for eksempel, er iboende endimensjonale og varierer raskt over tid, mens bildene som strømmer fra netthinnen er todimensjonale og har en tendens til å endre seg i et mer bevisst tempo. Lukt, som avhenger av konsentrasjoner av hundrevis av luftbårne luktstoffer, er helt avhengig av et annet system. Når det er sagt, er det noen generelle prinsipper. Det som betyr mest er ikke akkurat når et bestemt nevron øker, men hvor ofte det gjør det; skytetakten er hovedvalutaen.
Tenk for eksempel på nevroner i den visuelle cortex, området som mottar impulser fra synsnerven via et relé i thalamus. Disse nevronene representerer verden når det gjelder de grunnleggende elementene som utgjør enhver visuell scene - linjer, punkter, kanter og så videre. Et gitt nevron i den visuelle cortex kan stimuleres kraftigst av vertikale linjer. Når linjen roteres, varierer hastigheten som det nevronet skyter med: fire pigger på en tiendedel av et sekund hvis linjen er vertikal, men kanskje bare én gang i samme intervall hvis den roteres 45° mot klokken. Selv om nevronet reagerer mest på vertikale linjer, er det aldri stumt. Ingen enkelt pigg signaliserer om den reagerer på en vertikal linje eller noe annet. Bare i aggregatet – i nevronens avfyringshastighet over tid – kan betydningen av aktiviteten skjelnes.
Denne strategien, kjent som ratekoding, brukes på forskjellige måter i forskjellige hjernesystemer, men den er vanlig i hele hjernen. Ulike underpopulasjoner av nevroner koder for spesielle aspekter av verden på lignende måte – ved å bruke skytehastigheter for å representere variasjoner i lysstyrke, hastighet, avstand, orientering, farge, tonehøyde og til og med haptisk informasjon som plasseringen av et nålestikk i håndflaten din . Individuelle nevroner avfyrer raskest når de oppdager en foretrukket stimulus, mindre raskt når de ikke gjør det.
For å gjøre ting mer komplisert, koder pigger som kommer fra forskjellige typer celler forskjellige typer informasjon. Netthinnen er et intrikat lagdelt stykke nervesystemvev som kler baksiden av hvert øye. Dens jobb er å omforme dusjen av innkommende fotoner til utgående utbrudd av elektriske pigger. Nevroanatomister har identifisert minst 60 forskjellige typer retinale nevroner, hver med sin egen spesialiserte form og funksjon. Aksonene til 20 forskjellige netthinnecelletyper utgjør synsnerven, øyets eneste utgang. Noen av disse cellene signaliserer bevegelse i flere kardinalretninger; andre spesialiserer seg på å signalisere generell bildelysstyrke eller lokal kontrast; atter andre har informasjon om farge. Hver av disse populasjonene strømmer sine egne data, parallelt, til forskjellige prosesseringssentre oppstrøms fra øyet. For å rekonstruere arten av informasjonen som netthinnen koder for, må forskere spore ikke bare hastigheten på hver nevrons spiking, men også identiteten til hver celletype. Fire pigger som kommer fra én type celle kan kode for en liten farget blob, mens fire pigger fra en annen celletype kan kode for et bevegelig grått mønster. Antall pigger er meningsløst med mindre vi vet hvilken spesiell type celle de kommer fra.
Og det som er sant for netthinnen ser ut til å holde i hele hjernen. Alt i alt kan det være opptil tusen nevroncelletyper i den menneskelige hjernen, hver antagelig med sin egen unike rolle.
Visdom av folkemengder
Vanligvis involverer viktige koder i hjernen handlingen til mange nevroner, ikke bare én. Synet av et ansikt utløser for eksempel aktivitet i tusenvis av nevroner i høyere ordens sektorer av den visuelle cortex. Hver celle reagerer noe forskjellig, og reagerer på en annen detalj – den nøyaktige formen på ansiktet, fargen på huden, retningen øynene er fokusert i, og så videre. Den større betydningen ligger i cellenes kollektive respons.
Et stort gjennombrudd for å forstå dette fenomenet, kjent som befolkningskoding, kom i 1986, da Apostolos Georgopoulos, Andrew Schwartz og Ronald Kettner ved Johns Hopkins University School of Medicine lærte hvordan et sett med nevroner i den motoriske cortexen til aper kodet retningen. der en ape beveger et lem. Ingen nevron bestemte helt hvor lemmet ville bevege seg, men informasjon samlet over en populasjon av nevroner gjorde det. Ved å beregne et slags vektet gjennomsnitt av alle nevronene som skjøt, fant Georgopoulos og kollegene hans, kunne de pålitelig og presist utlede den tiltenkte bevegelsen til apens arm.
En av de første illustrasjonene av hva nevroteknologi en dag kan oppnå bygger direkte på denne oppdagelsen. Brown University nevroforsker John Donoghue har utnyttet ideen om befolkningskoding for å bygge nevrale dekodere – som inkluderer både programvare og elektroder – som tolker nevrale avfyring i sanntid. Donoghues team implanterte en børstelignende rekke mikroelektroder direkte inn i den motoriske cortexen til en lammet pasient for å registrere nevral aktivitet mens pasienten forestilte seg ulike typer motoriske aktiviteter. Ved hjelp av algoritmer som tolket disse signalene kunne pasienten bruke resultatene til å kontrollere en robotarm. Tankekontrollen til robotarmen er fortsatt treg og klønete, i likhet med å styre en varebil som ikke er på linje. Men arbeidet er et kraftig hint om hva som kommer ettersom vår kapasitet til å dekode hjernens aktivitet forbedres.
Blant de viktigste kodene i et dyrs hjerne er de det bruker for å finne sin plassering i verdensrommet. Hvordan fungerer vår egen interne GPS? Hvordan koder mønstre for nevral aktivitet der vi er? Et første viktig hint kom tidlig på 1970-tallet med oppdagelsen av John O’Keefe ved University College i London av det som ble kjent som stedsceller i hippocampus til rotter. Slike celler fyres hver gang dyret går eller løper gjennom en bestemt del av et kjent miljø. I laboratoriet kan en celle brenne oftest når dyret er nær en labyrints grenpunkt; en annen kan reagere mest aktivt når dyret er nær inngangspunktet. Mann-og-kone-teamet til Edward og May-Britt Moser oppdaget en annen type romlig koding basert på det som er kjent som rutenettceller. Disse nevronene avfyrer mest aktivt når et dyr er på toppene av et forestilt geometrisk rutenett som representerer dets miljø. Med sett med slike celler er dyret i stand til å triangulere sin posisjon, selv i mørket. (Det ser ut til å være minst fire forskjellige sett med disse rutenettcellene med forskjellige oppløsninger, noe som tillater en fin grad av romlig representasjon.)
Andre koder lar dyr kontrollere handlinger som finner sted over tid. Et eksempel er kretsen som er ansvarlig for å utføre de motoriske sekvensene som ligger til grunn for sang i sangfugler. Voksne hannfinker synger til sine kvinnelige partnere, hver stereotype sang varer bare noen få sekunder. Som Michale Fee og hans samarbeidspartnere ved MIT oppdaget, er nevroner av én type innenfor en bestemt struktur helt stille inntil fuglen begynner å synge. Hver gang fuglen når et bestemt punkt i sangen sin, bryter disse nevronene plutselig ut i et enkelt utbrudd av tre til fem tett sammensatte pigger, bare for å bli stille igjen. Ulike nevroner bryter ut til forskjellige tider. Det ser ut til at individuelle klynger av nevroner koder for tidsmessig orden, som hver representerer et spesifikt øyeblikk i fuglens sang.
Bestemor koding
I motsetning til en skrivemaskin, der en enkelt nøkkel spesifiserer hver bokstav unikt, bruker ASCII-koden flere biter for å bestemme en bokstav: det er et eksempel på hva informatikere kaller en distribuert kode. På lignende måte har teoretikere ofte sett for seg at komplekse konsepter kan være bunter av individuelle trekk; konseptet Berner Sennenhund kan representeres av nevroner som avfyrer som svar på forestillinger som hund, snøelskende, vennlig, stor, brun og svart, og så videre, mens mange andre nevroner, som de som reagerer på kjøretøy eller katter , unnlater å skyte. Samlet sett kan denne store populasjonen av nevroner representere et konsept.
Det er en grunn til håp. Optogenetics lar nå forskere slå genetisk identifiserte klasser av nevroner av og på etter ønske med fargede lysstråler. Det kan øke hastigheten på søket etter koder.
En alternativ forestilling, kalt sparsom koding, har fått mye mindre oppmerksomhet. Faktisk foraktet nevrovitenskapsmenn en gang ideen som bestemorcellekoding. Det hånlige begrepet antydet et hypotetisk nevron som bare ville avfyres når bæreren av det så eller tenkte på sin bestemor – sikkert, eller så det virket, et absurd konsept.
Men nylig hjalp en av oss (Koch) med å finne bevis for en variant av dette temaet. Selv om det ikke er noen grunn til å tro at et enkelt nevron i hjernen din representerer din bestemor, vet vi nå at individuelle nevroner (eller i det minste relativt små grupper av dem) kan representere visse konsepter med stor spesifisitet. Opptak fra mikroelektroder implantert dypt inne i hjernen til epileptiske pasienter avslørte enkeltnevroner som reagerte på ekstremt spesifikke stimuli, for eksempel kjendiser eller kjente fjes. En slik celle reagerte for eksempel på forskjellige bilder av skuespillerinnen Jennifer Aniston. Andre svarte på bilder av Luke Skywalker av Stjerne krigen berømmelse, eller til hans navn stavet ut. Et kjent navn kan representeres av så få som hundre og så mange som en million nevroner i den menneskelige hippocampus og nærliggende regioner.
Slike funn tyder på at hjernen faktisk kan koble sammen små grupper av nevroner for å kode viktige ting den møter om og om igjen, en slags nevronal stenografi som kan være fordelaktig for raskt å assosiere og integrere nye fakta med eksisterende kunnskap.
Ukjent land
Hvis nevrovitenskap har gjort reelle fremskritt med å finne ut hvordan en gitt organisme koder for det den opplever i et gitt øyeblikk, må den gå videre mot å forstå hvordan organismer koder for sin langsiktige kunnskap. Vi ville åpenbart ikke overleve lenge i denne verden hvis vi ikke kunne lære nye ferdigheter, som den orkestrerte sekvensen av handlinger og avgjørelser som følger med å kjøre bil. Likevel er den nøyaktige metoden vi gjør dette på, fortsatt mystisk. Pigger er nødvendig, men ikke tilstrekkelig for å omsette intensjoner til handling. Langtidshukommelsen – som kunnskapen vi utvikler når vi tilegner oss en ferdighet – kodes annerledes, ikke av salver av konstant sirkulerende pigger, men snarere av bokstavelig omkobling av våre nevrale nettverk.
Denne omkoblingen oppnås i det minste delvis ved å gjenskape synapsene som forbinder nevroner. Vi vet at mange forskjellige molekylære prosesser er involvert, men vi vet fortsatt lite om hvilke synapser som er modifisert og når, og nesten ingenting om hvordan man jobber bakover fra et nevralt koblingsdiagram til de spesielle minnene som er kodet.
Et annet mysterium handler om hvordan hjernen representerer setninger og setninger. Selv om det er et lite sett med nevroner som definerer et konsept som din bestemor, er det usannsynlig at hjernen din har allokert spesifikke sett med nevroner til komplekse konsepter som er mindre vanlige, men likevel umiddelbart forståelige, som Barack Obamas mormor. Det er på samme måte usannsynlig at hjernen dedikerer bestemte nevroner på heltid til å representere hver nye setning vi hører eller produserer. I stedet, hver gang vi tolker eller produserer en ny setning, integrerer hjernen sannsynligvis flere nevrale populasjoner, og kombinerer koder for grunnleggende elementer (som individuelle ord og konsepter) til et system for å representere komplekse, kombinatoriske helheter. Foreløpig har vi ingen anelse om hvordan dette er oppnådd.
En grunn til at slike spørsmål om hjernens skjemaer for koding av informasjon har vist seg å være så vanskelige å knekke, er at den menneskelige hjernen er så uhyre kompleks, og omfatter 86 milliarder nevroner knyttet sammen av noe i størrelsesorden en kvadrillion synaptiske forbindelser. En annen er at våre observasjonsteknikker forblir grove. De mest populære bildeverktøyene for å kikke inn i den menneskelige hjernen har ikke den romlige oppløsningen til å fange individuelle nevroner mens de skyter. For å studere nevrale kodesystemer som er unike for mennesker, slik som de som brukes i språk, trenger vi sannsynligvis verktøy som ennå ikke er oppfunnet, eller i det minste vesentlig bedre måter å studere svært ispede populasjoner av individuelle nevroner i den levende hjernen.
Det er også verdt å merke seg at det nevroingeniører prøver å gjøre, er litt som å avlytte – å tappe inn i hjernens egen interne kommunikasjon for å prøve å finne ut hva de mener. Noe av den avlyttingen kan villede oss. Hver nevrale kode vi kan knekke vil fortelle oss noe om hvordan hjernen fungerer, men ikke hver kode vi knekker er noe hjernen selv bruker direkte. Noen av dem kan være epifenomener – tilfeldige tics som, selv om de viser seg nyttige for ingeniørmessige og kliniske anvendelser, kan være avledninger på veien til en full forståelse av hjernen.
Ikke desto mindre er det grunn til å være optimistisk om at vi beveger oss mot den forståelsen. Optogenetics lar nå forskere slå genetisk identifiserte klasser av nevroner av og på etter ønske med fargede lysstråler. Enhver populasjon av nevroner som har et kjent, unikt molekylært postnummer, kan merkes med en fluorescerende markør og deretter enten fåes til å spike med millisekunders presisjon eller forhindres i å spike. Dette gjør det mulig for nevroforskere å gå fra å observere nevronal aktivitet til delikat, forbigående og reversibelt å forstyrre den. Optogenetikk, som nå først og fremst brukes i fluer og mus, vil øke hastigheten på søket etter nevrale koder. I stedet for bare å korrelere spikemønstre med en atferd, vil eksperimentalister være i stand til å skrive inn informasjonsmønstre og direkte studere effektene på hjernekretsløpet og oppførselen til levende dyr. Å tyde nevrale koder er bare en del av kampen. Å knekke hjernens mange koder vil ikke fortelle oss alt vi ønsker å vite, mer enn å forstå ASCII-koder kan i seg selv fortelle oss hvordan en tekstbehandler fungerer. Likevel er det en viktig forutsetning for å bygge teknologier som reparerer og forbedrer hjernen.
Ta for eksempel nye forsøk på å bruke optogenetikk for å avhjelpe en form for blindhet forårsaket av degenerative lidelser, som retinitis pigmentosa, som angriper de lysfølende cellene i øyet. En lovende strategi bruker et virus injisert i øyeeplene for å genetisk modifisere retinale ganglionceller slik at de reagerer på lys. Et kamera montert på briller ville pulsere lysstråler inn i netthinnen og utløse elektrisk aktivitet i de genmodifiserte cellene, noe som direkte ville stimulere det neste settet med nevroner i signalbanen – gjenopprette synet. Men for å få dette til å fungere, må forskere lære språket til disse nevronene. Når vi lærer å kommunisere med hjernen på dens eget språk, kan det snart dukke opp helt nye verdener av muligheter.
Christof Koch er vitenskapelig sjef ved Allen Institute for Brain Science i Seattle. Gary Marcus, professor i psykologi ved New York University og en hyppig blogger for En fra New York , er medredaktør for den kommende boken Hjernens fremtid.