Kaip dideliam mokslui nepavyko atskleisti žmogaus smegenų paslapčių

Didelės ir brangios pastangos nustatyti smegenis pradėtos prieš dešimtmetį, tačiau iš esmės nepasisekė. Tai geras priminimas, koks sudėtingas yra šis organas.

Autorius

• Emilė Mullin archyvo puslapis

2021 m. rugpjūčio 25 d

Andrea Daquino

2011 m. rugsėjį grupė neurologų ir nanomokslininkų susirinko į vaizdingą Anglijos kaimo dvarą į simpoziumą, skirtą sujungti jų dvi sritis.

Susitikime Kolumbijos universiteto neurobiologas Rafaelis Yuste ir Harvardo genetikas George'as Churchas pateikė ne tokį kuklų pasiūlymą: pavaizduoti visų žmogaus smegenų veiklą atskirų neuronų lygmenyje ir detalizuoti, kaip tos ląstelės sudaro grandines. Šios žinios gali būti panaudotos gydant smegenų sutrikimus, tokius kaip Alzheimerio liga, autizmas, šizofrenija, depresija ir trauminis smegenų sužalojimas. Ir tai padėtų atsakyti į vieną iš didžiųjų mokslo klausimų: kaip smegenys sukuria sąmonę?

Ši istorija buvo mūsų 2021 m. rugsėjo mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Yuste, Church ir jų kolegos parengė pasiūlymą, kuris vėliau bus paskelbtas žurnale Neuron . Jų siekis buvo ekstremalus: didelio masto tarptautinė viešoji pastanga, Smegenų veiklos žemėlapio projektas, kurio tikslas buvo atkurti visą neuroninės veiklos įrašą visose neuroninėse grandinėse. Kaip ir Žmogaus genomo projektas prieš dešimtmetį, jie rašė, smegenų projektas paskatins visiškai naujas pramonės šakas ir komercines įmones.

Tam tikslui pasiekti prireiktų naujų technologijų, ir čia įsiveržė nanomokslininkai. Tuo metu mokslininkai galėjo užfiksuoti vos kelių šimtų neuronų aktyvumą vienu metu, tačiau žmogaus smegenyse buvo maždaug 86 milijardai neuronų, tai buvo panašu į žiūri televizorių po vieną pikselį, – prisiminė Yuste 2017 m. Tyrėjai pasiūlė įrankius, leidžiančius išmatuoti kiekvieną kiekvieno neurono smaigalį, siekdami suprasti, kaip šių neuronų uždegimas sukėlė sudėtingų minčių.

Įžūlus pasiūlymas suintrigavo Obamos administraciją ir padėjo pagrindus daugiamečiui Smegenų tyrimai pažangių neurotechnologijų (BRAIN) iniciatyva 2013 m. balandžio mėn. Prezidentas Obama pavadino tai kitu puikiu Amerikos projektu.

Susijusi istorija

Kodėl Obamos smegenų žemėlapių sudarymo projektas yra svarbus Obama ragina skirti 100 milijonų dolerių naujoms technologijoms, padedančioms suprasti smegenis, sukurti.

Tačiau tai nebuvo pirmas įžūlus protas. Tiesą sakant, prieš kelerius metus Henry Markram, neurologas Lozanos federalinis technologijos institutas Šveicarijoje buvo išsikėlęs dar aukštesnį tikslą: sukurti kompiuterinį gyvo žmogaus smegenų modeliavimą. Markramas norėjo sukurti visiškai skaitmeninį, trimatį modelį pagal atskiros ląstelės skiriamąją gebą, atsekdamas visas tų ląstelių jungtis. Mes galime tai padaryti per 10 metų, gyrėsi jis per a TED pokalbis 2009 m .

2013 m. sausio mėn., likus keliems mėnesiams iki Amerikos projekto paskelbimo, ES skyrė Markram 1,3 mlrd. USD jo smegenų modeliui sukurti. JAV ir ES projektai paskatino panašias didelio masto mokslinių tyrimų pastangas tokiose šalyse kaip Japonija, Australija, Kanada, Kinija, Pietų Korėja ir Izraelis. Prasidėjo nauja neurologijos era.

Neįmanoma svajonė?

Po dešimtmečio JAV projektas baigiasi, o ES projekto galutinis terminas – sukurti skaitmenines smegenis. Taigi kaip sekėsi? Ar pradėjome atskleisti žmogaus smegenų paslaptis? O gal dešimtmetį ir milijardus dolerių praleidome siekdami vizijos, kuri išlieka tokia pat sunkiai suprantama kaip bet kada?

Nuo pat pradžių abu projektai turėjo kritikų.

ES mokslininkai nerimavo dėl Markram schemos išlaidų ir manė, kad ji išstums kitus neurologijos tyrimus. Ir net pirminiame 2011 m. susitikime, kuriame Yuste ir Church pristatė savo ambicingą viziją, daugelis jų kolegų tvirtino, kad tiesiog neįmanoma nustatyti sudėtingų milijardų žmogaus neuronų šūvių. Kiti teigė, kad tai įmanoma, bet kainuotų per daug pinigų ir būtų sukurta daugiau duomenų, nei tyrėjai žinotų, ką daryti.

2013 m. žurnale „Scientific American“ pasirodžiusiame pūsliame straipsnyje Partha Mitra, Cold Spring Harbor laboratorijos neuromokslininkė, perspėjo dėl neracionalaus gausybės už smegenų veiklos žemėlapio ir suabejojo, ar jo bendras tikslas buvo prasmingas.

Susijusi istorija

Neurologai prieštarauja Europos žmogaus smegenų projektui Kritikai vadina didelio masto kompiuterinio modeliavimo akcentavimą ES smegenų projekte per anksti.

Net jei būtų įmanoma užfiksuoti visus šuolius iš visų neuronų vienu metu, jis teigė, kad smegenys neegzistuoja atskirai: norint tinkamai sujungti taškus, reikia tuo pačiu metu įrašyti išorinius dirgiklius, kuriuos veikia smegenys. , taip pat organizmo elgseną. Ir jis samprotavo, kad prieš bandydami iššifruoti, ką reiškia atskirų neuronų uždegimai, turime suprasti smegenis makroskopiniu lygmeniu.

Kiti nerimavo dėl centralizuoto šių laukų kontrolės poveikio. Rokfelerio universiteto neuromokslininkė Cornelia Bargmann nerimavo, kad tai išstums tyrimus, kuriems vadovauja pavieniai tyrėjai. (Bargmannas netrukus buvo pakviestas vadovauti BRAIN iniciatyvos darbo grupei.)

Nėra vienos, sutartos teorijos, kaip veikia smegenys, ir ne visi šioje srityje sutiko, kad modeliuotų smegenų kūrimas yra geriausias būdas jas tirti.

Nors JAV iniciatyva siekė mokslininkų indėlio, kad būtų galima nukreipti jos kryptį, ES projektas neabejotinai buvo vykdomas iš viršaus į apačią, o Markramui vadovavo. Tačiau, kaip dokumentuoja Noahas Huttonas savo 2020 m In Silico , Didieji Markramo planai netrukus išsiaiškino. Būdamas bakalauro studentu, studijuodamas neuromokslus, Huttonas buvo paskirtas skaityti Markramo darbus ir buvo sužavėtas jo pasiūlymo imituoti žmogaus smegenis; pradėjęs kurti dokumentinius filmus, jis nusprendė įamžinti pastangas. Tačiau netrukus jis suprato, kad milijardų dolerių įmonei labiau būdinga vidinė kova ir besikeičiantys tikslai, o ne proveržis mokslas.

In Silico Markramas parodomas kaip charizmatiškas lyderis, kuriam reikėjo drąsių teiginių apie neurologijos ateitį, kad pritrauktų finansavimą savo konkrečiai vizijai įgyvendinti. Tačiau projektą nuo pat pradžių vargino didelė problema: nėra vienos, sutartos teorijos, kaip veikia smegenys, ir ne visi šioje srityje sutiko, kad modeliuotų smegenų kūrimas yra geriausias būdas jas tirti. Neilgai trukus tie skirtumai atsirado ES projekte.

2014 m. šimtai ekspertų visoje Europoje parašė laišką, nurodydami susirūpinimą dėl priežiūros, finansavimo mechanizmų ir skaidrumo. Žmogaus smegenų projektas . Mokslininkai manė, kad Markramo tikslas buvo per anksti ir per siauras, todėl tyrėjams, ieškantiems kitų smegenų tyrimo būdų, nebūtų skiriamas finansavimas.

Kas mane sužavėjo, jei jam pasisekė ir jį įjungė, o imituojamos smegenys veikė, ko išmokote? Terry Sejnowski, Solko instituto kompiuterinis neurologas, dirbęs BRAIN iniciatyvos patariamajame komitete, papasakojo. Modeliavimas yra toks pat sudėtingas kaip ir smegenys.

„Human Brain Project“ direktorių valdyba 2015 m. pradžioje nubalsavo už organizacijos ir vadovybės pakeitimą, pakeisdama trijų narių vykdomąjį komitetą, kuriam vadovauja Markram, 22 narių valdyba. Vykdomuoju direktoriumi buvo paskirtas Christophas Ebellas, Šveicarijos verslininkas, turintis mokslo diplomatijos išsilavinimą. Kai perėmiau valdymą, projektas buvo krizės taške, sako jis. Žmonės atvirai domėjosi, ar projektas bus tęsiamas.

Tačiau po kelerių metų jis taip pat pasitraukė po strateginių nesutarimų su projektą priimančia institucija. Šiuo metu projektas yra skirtas sukurti naują skaičiavimo tyrimų infrastruktūrą, kuri padėtų neurologams saugoti, apdoroti ir analizuoti didelius duomenų kiekius (nesistemingas duomenų rinkimas buvo šios srities problema), ir sukurti 3D smegenų atlasus ir programinę įrangą modeliavimui kurti.

Tuo tarpu JAV BRAIN iniciatyva patyrė savų pokyčių. Anksti, 2014 m., reaguojant į mokslininkų susirūpinimą ir pripažįstant to, kas buvo įmanoma, ribas, jis peraugo į kažką pragmatiškesnio, sutelkiant dėmesį į kuriant technologijas smegenims tirti.

Nauja diena

Tie pokyčiai pagaliau pradėjo duoti rezultatų, net jei jie nebuvo tokie, kokių iš pradžių buvo numatę kiekvieno didelio smegenų projekto įkūrėjai.

Praėjusiais metais Human Brain Project išleido a 3D skaitmeninis žemėlapis, integruojantis įvairius žmogaus smegenų organizavimo aspektus milimetro ir mikrometro lygyje. Iš esmės tai yra „Google“ žemė, skirta smegenims.

Susijusi istorija

Išsamus 3D žmogaus smegenų atlasas Mokslininkai iš viso žmogaus smegenų anatomiją pavaizdavo precedento neturinčia raiška.

O anksčiau šiais metais Alipasha Vaziri, neurologas, finansuojamas pagal BRAIN iniciatyvą, ir jo komanda iš Rokfelerio universiteto iš anksto išspausdintame dokumente pranešė, kad jie vienu metu užfiksavo daugiau nei milijono neuronų veiklą pelės žievėje. Tai didžiausias iki šiol užfiksuotas gyvūnų žievės aktyvumo įrašas, nors toli gražu nesiklauso visų 86 milijardų žmogaus smegenų neuronų, kaip tikėtasi pirminiame smegenų veiklos žemėlapyje.

JAV pastangos taip pat parodė tam tikrą pažangą bandant sukurti naujas priemones smegenims tirti. Tai paspartino optogenetikos, metodo, kuris naudoja šviesą neuronams valdyti, vystymąsi, o jo finansavimas leido sukurti naujus didelio tankio silicio elektrodus, galinčius vienu metu įrašyti iš šimtų neuronų. Ir tai, be abejo, paspartino vienos ląstelės sekos kūrimą. Rugsėjo mėn. mokslininkai, naudojantys šiuos pasiekimus, paskelbs išsamią pelių ir žmogaus motorinių žievės ląstelių tipų klasifikaciją – tai didžiausias vienas iki šiol BRAIN iniciatyvos rezultatas.

Nors tai yra svarbūs žingsniai į priekį, jie toli nuo pradinių didelių ambicijų.

Ilgalaikis palikimas

Šiuo metu žengiame į paskutinį šių projektų etapą – ES pastangos bus baigtos 2023 m., o JAV iniciatyva turėtų gauti finansavimą iki 2026 m. Tai, kas nutiks šiais kitais metais, nulems, kokį poveikį jie turės neurologijos sritis.

Kai paklausiau Ebello, ką jis laiko didžiausiu Žmogaus smegenų projekto pasiekimu, jis neįvardijo nė vieno mokslo pasiekimo. Vietoj to, jis nurodė BRAINS , platforma, pradėta šių metų balandį, padėti neurologams dirbti su neurologiniais duomenimis, atlikti modeliavimą ir imituoti smegenų funkciją. Ji siūlo mokslininkams platų duomenų spektrą ir sujungia daugybę pažangiausių Europos laboratorijų įrenginių, superkompiuterių centrų, klinikų ir technologijų centrų vienoje sistemoje.

Jei manęs paklaustumėte: „Ar tu patenkintas tuo, kaip viskas pasirodė?“, atsakyčiau „taip“, – sakė Ebell. Ar tai lėmė proveržius, kurių kai kurie tikėjosi įgyti visiškai naują smegenų supratimą? Galbūt ne.

Diuseldorfo universiteto neuromokslininkė Katrin Amunts, kuri nuo 2016 m. yra Human Brain Project mokslinių tyrimų direktorė, sako, kad nors Markramo svajonė imituoti žmogaus smegenis dar neįgyvendinta, ji vis labiau artėja. Mes panaudosime pastaruosius trejus metus, kad tokie modeliai įvyktų, sako ji. Tačiau tai nebus didelis, vienas modelis – vietoj to reikės kelių modeliavimo metodų, kad suprastume smegenis visą jų sudėtingumą.

Tuo tarpu BRAIN iniciatyva iki šiol suteikė daugiau nei 900 dotacijų tyrėjams, iš viso apie 2 mlrd. Numatoma, kad Nacionaliniai sveikatos institutai projektui išleis beveik 6 milijardus dolerių, kol jis bus baigtas.

Paskutiniame BRAIN iniciatyvos etape mokslininkai bandys suprasti, kaip veikia smegenų grandinės, nubraižydami sujungtus neuronus. Tačiau teiginiai, ką galima pasiekti, yra daug santūresni nei projekto pradžioje. Mokslininkai dabar supranta, kad smegenų supratimas bus nuolatinė užduotis – tai nėra kažkas, ko galima užbaigti iki projekto termino, net jei tas projektas atitinka konkrečius tikslus.

Naudodami visiškai naują įrankį ar nuostabų naują mikroskopą žinote, kada jį turėsite. Jei kalbate apie supratimą, kaip veikia smegenų dalis arba kaip smegenys iš tikrųjų atlieka užduotį, daug sunkiau suprasti, kas yra sėkmė, sako Brandeis universiteto neuromokslininkė Eve Marder. O sėkmė vienam žmogui būtų tik istorijos pradžia.

Yuste ir jo kolegos buvo teisūs, kad norint prasmingiau ištirti smegenis reikės naujų įrankių ir metodų. Dabar mokslininkai turės išsiaiškinti, kaip juos panaudoti. Tačiau užuot atsakę į sąmonės klausimą, šių metodų kūrimas, jei ką, tik atvėrė daugiau klausimų apie smegenis ir parodė, kokios jos sudėtingos.

Turiu būti atvira, sako Yuste. Turėjome daugiau vilčių.

Emilė Mullin yra laisvai samdomas žurnalistas, gyvenantis Pitsburge, daugiausia dėmesio skiriantis biotechnologijoms.

paslėpti