Cik lielai zinātnei neizdevās atklāt cilvēka smadzeņu noslēpumus

Lieli, dārgi centieni kartēt smadzenes sākās pirms desmit gadiem, bet lielākoties ir bijuši neveiksmīgi. Tas ir labs atgādinājums par to, cik sarežģīts ir šis orgāns.

Autors

• Emīlija Mulina arhīva lapa

2021. gada 25. augusts

Andrea Dakino

2011. gada septembrī neirozinātnieku un nanozinātnieku grupa pulcējās gleznainā muižā Anglijas laukos uz simpoziju, kura mērķis bija apvienot abus laukus.

Sanāksmē Kolumbijas universitātes neirobiologs Rafaels Juste un Hārvardas ģenētiķis Džordžs Čērčs izteica ne pārāk pieticīgu priekšlikumu: kartēt visu cilvēka smadzeņu darbību atsevišķu neironu līmenī un detalizēti aprakstīt, kā šīs šūnas veido ķēdes. Šīs zināšanas varētu izmantot, lai ārstētu smadzeņu darbības traucējumus, piemēram, Alcheimera slimību, autismu, šizofrēniju, depresiju un traumatisku smadzeņu traumu. Un tas palīdzētu atbildēt uz vienu no lielākajiem zinātnes jautājumiem: kā smadzenes rada apziņu?

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2021. gada septembra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Yuste, Church un viņu kolēģi izstrādāja priekšlikumu, kas vēlāk tiks izstrādāts publicēts žurnālā Neuron . Viņu ambīcijas bija ārkārtējas: liela mēroga, starptautisks publiskais darbs, Brain Activity Map Project, kura mērķis bija rekonstruēt pilnu neironu aktivitāšu ierakstu pilnās neironu ķēdēs. Viņi rakstīja, tāpat kā Cilvēka genoma projekts desmit gadus iepriekš, smadzeņu projekts radīs pilnīgi jaunas nozares un komerciālus pasākumus.

Lai sasniegtu šo mērķi, būtu vajadzīgas jaunas tehnoloģijas, un tieši tur ienāca nanozinātnieki. Tolaik pētnieki varēja reģistrēt darbību tikai no dažiem simtiem neironu vienlaikus, taču ar aptuveni 86 miljardiem neironu cilvēka smadzenēs tas bija līdzīgs skatoties televizoru pa vienam pikselim, Juste atcerējās 2017. gadā. Pētnieki ierosināja rīkus, lai izmērītu katru smaili no katra neirona, mēģinot saprast, kā šo neironu izšaušana radīja sarežģītas domas.

Drosmīgais priekšlikums ieintriģēja Obamas administrāciju un lika pamatus daudzgadu periodam Smadzeņu izpēte, izmantojot novatorisku neirotehnoloģiju (BRAIN) iniciatīvu , paziņoja 2013. gada aprīlī. Prezidents Obama to nosauca par nākamo lielo amerikāņu projektu.

Saistīts stāsts

Kāpēc Obamas smadzeņu kartēšanas projekts ir svarīgs Obama pieprasa 100 miljonus dolāru, lai izstrādātu jaunas tehnoloģijas smadzeņu izpratnei.

Bet tas nebija pirmais pārdrošais prāta pasākums. Faktiski dažus gadus iepriekš Henrijs Markrams, neirozinātnieks no Lozannas Federālais tehnoloģiju institūts Šveicē bija izvirzījis vēl augstāku mērķi: izveidot dzīvu cilvēka smadzeņu datorsimulāciju. Markram vēlējās izveidot pilnībā digitālu, trīsdimensiju modeli ar atsevišķas šūnas izšķirtspēju, izsekojot visiem šo šūnu daudzajiem savienojumiem. Mēs to varam izdarīt 10 gadu laikā, viņš lepojās a 2009. gada TED runa .

2013. gada janvārī, dažus mēnešus pirms amerikāņu projekta izziņošanas, ES piešķīra Markram 1,3 miljardus dolāru, lai izveidotu viņa smadzeņu modeli. ASV un ES projekti izraisīja līdzīgus liela mēroga pētniecības pasākumus tādās valstīs kā Japāna, Austrālija, Kanāda, Ķīna, Dienvidkoreja un Izraēla. Bija sācies jauns neirozinātnes laikmets.

Neiespējams sapnis?

Desmit gadus vēlāk ASV projekts beidzas, un ES projektam tuvojas termiņš, lai izveidotu digitālās smadzenes. Kā tad gāja? Vai esam sākuši atklāt cilvēka smadzeņu noslēpumus? Vai arī mēs esam pavadījuši desmit gadus un miljardus dolāru, dzenoties pēc vīzijas, kas joprojām ir tikpat nenotverama kā jebkad?

No sākuma abiem projektiem bija kritiķi.

ES zinātnieki bija noraizējušies par Markram shēmas izmaksām un domāja, ka tā izspiedīs citus neirozinātnes pētījumus. Un pat sākotnējā 2011. gada sanāksmē, kurā Yuste un Church prezentēja savu ambiciozo redzējumu, daudzi viņu kolēģi iebilda, ka vienkārši nav iespējams kartēt miljardiem cilvēka neironu sarežģīto aizdegšanos. Citi teica, ka tas ir iespējams, taču tas izmaksātu pārāk daudz naudas un radītu vairāk datu, nekā pētnieki zinātu, ko darīt.

2013. gadā Scientific American publicētajā rakstā Cold Spring Harbor laboratorijas neirozinātniece Partha Mitra brīdināja par neracionālo pārpilnību aiz smadzeņu darbības kartes un apšaubīja, vai tās vispārējais mērķis ir jēgpilns.

Saistīts stāsts

Neirozinātnieki iebilst pret Eiropas cilvēka smadzeņu projektu Kritiķi uzskata, ka uzsvars uz liela mēroga datorsimulācijām ES smadzeņu projektā ir priekšlaicīgs.

Pat ja būtu iespējams reģistrēt visus smadzenes no visiem neironiem vienlaikus, viņš apgalvoja, smadzenes neeksistē atsevišķi: lai pareizi savienotu punktus, jums vienlaikus jāreģistrē ārējie stimuli, kuriem smadzenes ir pakļautas. , kā arī organisma uzvedību. Un viņš pamatoja, ka mums ir jāsaprot smadzenes makroskopiskā līmenī, pirms mēģināt atšifrēt, ko nozīmē atsevišķu neironu aizdegšanās.

Citi pauda bažas par šo lauku kontroles centralizācijas ietekmi. Rokfellera universitātes neirozinātniece Kornēlija Bargmane uztraucās, ka tas izstums atsevišķu izmeklētāju vadītos pētījumus. (Drīz Bargmans tika piesaistīts BRAIN iniciatīvas darba grupas līdzvadītājam.)

Nav vienotas, saskaņotas teorijas par to, kā smadzenes darbojas, un ne visi šajā jomā piekrita, ka simulētu smadzeņu veidošana ir labākais veids, kā to pētīt.

Lai gan ASV iniciatīva meklēja zinātnieku ieguldījumu, lai virzītu tās virzienu, ES projekts noteikti bija vairāk vērsts uz leju, ar Markramu priekšgalā. Taču, kā dokumentē Noa Hatons savā 2020. gada filmā In Silico , Markrama grandiozie plāni drīz vien atklājās. Būdams bakalaura students, kurš studēja neirozinātnes, Hatonam bija uzticēts lasīt Markrama rakstus, un viņu iespaidoja viņa priekšlikums simulēt cilvēka smadzenes; kad viņš sāka veidot dokumentālās filmas, viņš nolēma iemūžināt centienus. Tomēr viņš drīz saprata, ka miljardu dolāru vērto uzņēmumu vairāk raksturo iekšējās cīņas un mainīgie mērķi, nevis revolucionāra zinātne.

In Silico parāda Markramu kā harizmātisku vadītāju, kuram vajadzēja izteikt drosmīgus apgalvojumus par neirozinātnes nākotni, lai piesaistītu finansējumu sava īpašā redzējuma īstenošanai. Taču projektu jau no paša sākuma satrauca liela problēma: nav vienas saskaņotas teorijas par to, kā smadzenes darbojas, un ne visi šajā jomā piekrita, ka simulētu smadzeņu veidošana ir labākais veids, kā to pētīt. Nepagāja ilgs laiks, līdz ES projektā radās šīs atšķirības.

2014. gadā simtiem ekspertu visā Eiropā nosūtīja vēstuli, norādot uz bažām par pārraudzību, finansēšanas mehānismiem un pārredzamību Cilvēka smadzeņu projekts . Zinātnieki uzskatīja, ka Markrama mērķis bija pāragrs un pārāk šaurs, un tas izslēgtu finansējumu pētniekiem, kuri meklēja citus veidus, kā pētīt smadzenes.

Kas mani pārsteidza, ja viņam izdevās, viņš to ieslēdza un simulētās smadzenes strādāja, ko jūs esat iemācījušies? Terijs Sejnovskis, Salk institūta skaitļošanas neirozinātnieks, kurš strādāja BRAIN iniciatīvas padomdevēja komitejā, man teica. Simulācija ir tikpat sarežģīta kā smadzenes.

Cilvēka smadzeņu projekta direktoru padome 2015. gada sākumā nobalsoja par organizācijas un vadības maiņu, aizstājot Markrama vadīto trīs locekļu izpildkomiteju ar 22 locekļu valdi. Kristofs Ebels, Šveices uzņēmējs ar zinātnes diplomātijas pieredzi, tika iecelts par izpilddirektoru. Kad es pārņēmu vadību, projekts bija krīzes brīdī, viņš saka. Cilvēki atklāti domāja, vai projekts turpināsies.

Bet dažus gadus vēlāk viņš arī izstājās pēc stratēģiskām nesaskaņām ar projekta uzņemošo iestādi. Tagad projekts ir vērsts uz jaunas skaitļošanas pētniecības infrastruktūras nodrošināšanu, lai palīdzētu neirozinātniekiem uzglabāt, apstrādāt un analizēt lielu datu apjomu — nesistemātiska datu vākšana ir bijusi problēma šajā jomā — un izstrādāt 3D smadzeņu atlantus un programmatūru simulāciju izveidei.

Tikmēr ASV BRAIN iniciatīva piedzīvoja savas izmaiņas. 2014. gada sākumā, reaģējot uz zinātnieku bažām un atzīstot iespējamā robežas, tas attīstījās par kaut ko pragmatiskāku, koncentrējoties uz tehnoloģiju izstrāde smadzeņu zondēšanai.

Jauna diena

Šīs izmaiņas beidzot ir sākušas dot rezultātus, pat ja tās nebija tās, ko sākotnēji bija paredzējuši katra lielā smadzeņu projekta dibinātāji.

Pagājušajā gadā Human Brain Project izlaida a 3D digitālā karte, kas integrē dažādus cilvēka smadzeņu organizācijas aspektus milimetru un mikrometru līmenī. Būtībā tā ir programma Google Earth smadzenēm.

Saistīts stāsts

Detalizēts cilvēka smadzeņu trīsdimensiju atlants Zinātnieki ir attēlojuši visu cilvēka smadzeņu anatomiju ar nepieredzētu izšķirtspēju.

Un šī gada sākumā BRAIN iniciatīvas finansētais neirozinātnieks Alipasha Vaziri un viņa komanda Rokfellera universitātē ziņoja, ka viņi vienlaikus reģistrējuši vairāk nekā miljona neironu aktivitāti visā peles garozā. Tas ir lielākais dzīvnieku garozas aktivitātes ieraksts, kas līdz šim ir veikts, ja tālu no tā, ka tas neklausa visus 86 miljardus cilvēka smadzenēs esošo neironu, kā cerēja sākotnējā smadzeņu darbības kartē.

ASV centieni ir arī parādījuši zināmu progresu mēģinājumos izveidot jaunus instrumentus smadzeņu pētīšanai. Tas ir paātrinājis optoģenētikas attīstību, pieeju, kas izmanto gaismu, lai kontrolētu neironus, un tās finansējums ir radījis jaunus augsta blīvuma silīcija elektrodus, kas spēj vienlaicīgi reģistrēt simtiem neironu. Un tas neapšaubāmi ir paātrinājis vienas šūnas sekvencēšanas attīstību. Septembrī pētnieki, izmantojot šos sasniegumus, publicēs detalizētu šūnu tipu klasifikāciju peles un cilvēka motora garozā, kas ir līdz šim lielākais BRAIN iniciatīvas rezultāts.

Lai gan tie visi ir svarīgi soļi uz priekšu, tie ir tālu no sākotnējām lielajām ambīcijām.

Ilgstošs mantojums

Šobrīd mēs ejam uz šo projektu pēdējo posmu — ES centieni tiks pabeigti 2023. gadā, savukārt ASV iniciatīvai ir paredzēts finansējums līdz 2026. gadam. Tas, kas notiks šajos nākamajos gados, noteiks, cik lielu ietekmi tie atstās uz neirozinātnes joma.

Kad es jautāju Ēbelam, ko viņš uzskata par cilvēka smadzeņu projekta lielāko sasniegumu, viņš nenosauca nevienu zinātnisku sasniegumu. Tā vietā viņš norādīja uz EBRAINS , platforma, kas tika uzsākta šā gada aprīlī, lai palīdzētu neirozinātniekiem strādāt ar neiroloģiskiem datiem, veikt modelēšanu un simulēt smadzeņu darbību. Tas piedāvā pētniekiem plašu datu klāstu un savieno daudzas no vismodernākajām Eiropas laboratoriju iekārtām, superskaitļošanas centriem, klīnikām un tehnoloģiju centriem vienā sistēmā.

Ja jūs man jautātu: “Vai esat apmierināts ar to, kā tas izrādījās?” Es atbildētu, jā,” sacīja Ebels. Vai tas ir novedis pie izrāvieniem, ko daži ir gaidījuši, lai iegūtu pilnīgi jaunu izpratni par smadzenēm? Varbūt nē.

Diseldorfas universitātes neirozinātniece Katrīna Amunta, kura ir Human Brain Project zinātniskās pētniecības direktore kopš 2016. gada, saka, ka, lai gan Markrama sapnis par cilvēka smadzeņu simulāciju vēl nav īstenots, tas kļūst arvien tuvāks. Mēs izmantosim pēdējos trīs gadus, lai šādas simulācijas notiktu, viņa saka. Bet tas nebūs liels, viens modelis — tā vietā būs nepieciešamas vairākas simulācijas pieejas, lai izprastu smadzenes visā to sarežģītībā.

Tikmēr BRAIN iniciatīva līdz šim pētniekiem ir piešķīrusi vairāk nekā 900 dotācijas, kuru kopējā summa ir aptuveni 2 miljardi ASV dolāru. Tiek prognozēts, ka Nacionālie veselības institūti projekta noslēgšanas brīdī iztērēs gandrīz 6 miljardus dolāru.

BRAIN iniciatīvas pēdējā fāzē zinātnieki mēģinās saprast, kā darbojas smadzeņu ķēdes, diagrammējot savienotos neironus. Taču prasības par to, ko var sasniegt, ir daudz atturīgākas nekā projekta sākumā. Pētnieki tagad saprot, ka smadzeņu izpratne būs nepārtraukts uzdevums — to nevar pabeigt līdz projekta termiņam, pat ja šis projekts atbilst tā īpašajiem mērķiem.

Izmantojot pavisam jaunu instrumentu vai pasakaini jaunu mikroskopu, jūs zināt, kad tas ir iegūts. Ja jūs runājat par izpratni par to, kā darbojas smadzeņu daļa vai kā smadzenes faktiski veic uzdevumu, ir daudz grūtāk saprast, kas ir veiksme, saka Eve Mārdere, Brandeis universitātes neirozinātniece. Un panākumi vienam cilvēkam būtu tikai stāsta sākums citam.

Yustei un viņa kolēģiem bija taisnība, ka, lai jēgpilnāk pētītu smadzenes, būs nepieciešami jauni rīki un paņēmieni. Tagad zinātniekiem būs jāizdomā, kā tos izmantot. Bet tā vietā, lai atbildētu uz apziņas jautājumu, šo metožu izstrāde, ja kas, ir tikai pavērusi vairāk jautājumu par smadzenēm un parādījusi, cik tās ir sarežģītas.

Man ir jābūt godīgam, saka Yuste. Mums bija lielākas cerības.

Emīlija Mulina ir ārštata žurnālists, kas strādā Pitsburgā un koncentrējas uz biotehnoloģiju.

paslēpties