Historien om en undersøgelse af sindet

Rebecca Saxe vil vide, hvordan vores hjerner lærer at være sociale.





Rebecca Saxe

Mere præcist har Saxe, en lektor i kognitiv neurovidenskab i MIT's Brain and Cognitive Sciences Department, bygget sin karriere ved at forsøge at forstå, hvordan vi foretager domme om andre menneskers tanker, et fakultet kaldet Theory of Mind (ToM).

Vores hjerner udfører ToM-kognition for at tyde, hvad der gemmer sig bag et smil, en grimasse, en fangst i nogens stemme. Som Saxe skriver, er ToM den mekanisme, folk bruger til at udlede og ræsonnere om en anden persons sindstilstand. For at spore ToM har hun været nødt til at mestre kunsten med funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI). fMRI-scannere er besværlige og vanskelige at bruge godt - og deres resultater er udfordrende at fortolke. Men Saxe er blevet en virtuos af maskinen, begyndende da hun som postdoc kom til at kæmpe med et problem, som hun siger stadig blæser hende.

Tidligt i udviklingen, forklarer hun, ser menneskelige hjerner ud til at være en samling neuroner, der ligner dem, der danner hjernen hos mange andre skabninger. Men så får vi kapaciteter, som ikke har nogen paralleller i dyreriget. Hvordan? Hvad sker der i modne hjerner for at skabe det sinds liv, der adskiller os som mennesker?



Det er et kæmpe spørgsmål, livets arbejde. Men et nærmere kig på blot et af Saxes eksperimenter antyder, hvad der skal til for at destillere mening fra målingerne - og giver et indblik i arbejdslivet for en videnskabsmand på toppen af ​​sit spil.

Saxe, en 33-årig canadier, har kæmpet med hjerner siden 1990'erne, begyndende som en bachelor i Oxford. Hun begyndte at fokusere på konceptet ToM på forskerskolen på MIT, og arbejdede i laboratoriet i Nancy Kanwisher '80, PhD '86, hvor hun identificerede hjernesystemerne, der aktiveres, når nogen tænker på en andens sindstilstand. Kognitiv neuroforsker Jon Simons fra University of Cambridge, som har specialiseret sig i studiet af hukommelse, siger, at Saxe har designet tankevækkende eksperimenter, der gav interessante og pålidelige data. Det er fristende at tro, at stor videnskab er disse store gennembrud, siger han. [Men] det er måden god videnskab laves på. Det laver strenge undersøgelser i stor detalje, der skaber resultater, der holder.

Saxe tog et vigtigt skridt i 2005, da hun begyndte at spekulere på, om hun kunne studere børn helt ned til fem år for at se, hvordan ToM-systemet udvikler sig over tid. Vejspærringen? På det tidspunkt forsøgte meget få forskere i verden at putte børn i en fMRI-maskine, som kræver, at folk sidder stille i 40 minutter eller mere. Men en sådan forsker var Kevin Pelphrey, dengang ved Duke University. Saxe skrev til ham i oktober 2005 - blindt, siger hun - og foreslog et eksperiment, der ville scanne børns hjerner, mens de behandlede historier centreret om folks tanker. Jeg fortalte ham, at jeg ville skrive eksperimentet, og du kan lave scanningerne hos Duke, husker hun. Pelphrey, som Saxe vurderer som en af ​​de mest generøse samarbejdspartnere, sagde helt sikkert, kom ned - men inden februar. Så Saxe havde kun uger til at tage sin kimen til en idé og gøre den til en brugbar protokol.



Jeg og min kæreste sad ved køkkenbordet, siger hun, og jeg skrev små bidder af historier, som havde folks tanker i sig. Hun udtænkte et dusin fortællinger og tilføjede tegninger til at ledsage dem. Emner ville blive udsat for tre segmenter pr. fortælling i 20 sekunder hver: en beskrivelse af en fysisk ramme med et håndtegnet billede til at illustrere det; en beskrivelse af menneskelige karakterer; og et mentalt segment, der tilbød information om, hvad der foregik i deres sind. For at sikre, at resultaterne ikke ville blive påvirket af et forsøgspersons reaktion på rækkefølgen af ​​segmenterne, ville hvert barn i undersøgelsen høre de samme historier, men med segmenterne arrangeret i forskellige rækkefølger. Efter at have lyttet til hver historie, ville børnene blive stillet et ja-eller-nej-spørgsmål, som krævede, at de skulle udlede, hvad hovedpersonen kunne gøre næste gang. Derefter, efter en kort pause, begyndte en anden historie, og så videre, indtil emnet havde gennemgået den fulde protokol med 12 separate fortællinger i scanningssessioner, der varede 40 minutter eller deromkring.

Dage efter hun havde afsluttet det eksperimentelle design, gik Saxe til Duke. Det første forsøgsperson, en pige på omkring 10 år, ankom omkring midmorgen, og holdet satte hende ind i scanneren. I kontrolrummet kunne Saxe se barnets to små fødder stikke ud af maskinens mund. Da scanneren begyndte at lyde sin sædvanlige brummen og klik-klik-klik, var Saxe nervøs. Velvidende, at ethvert nyt eksperiment har flere veje til fiasko, vidste hun, at hun også stod over for en mere fundamental risiko. Nogle undersøgelser havde antydet, at børn under fem år allerede kan gøre ToM-slutninger. Så der var en god chance for, at hun og hendes samarbejdspartnere slet ikke ville finde noget – ToM-regionerne i disse børn kunne ligne dem hos ældre mennesker.

Det værste af alt, da hun kørte sin første scanning, havde Saxe ingen mulighed for at tjekke, om hun ville finde noget af interesse. Selvom fMRI-teknologi populært forestilles (eller frygtes) som en slags sonde, som du kan bruge til blot at læse indholdet af folks tanker, er virkeligheden langt mindre dramatisk og meget mere krævende af forskeren.



Nogle af problemerne er rent tekniske. fMRI-maskiner måler kun indirekte hjerneaktivitet. Når neuroner skyder, suger de ilt til sig for at forberede sig på at skyde igen. Det fremkalder et behov for mere ilt - leveret med blod. Når et område af hjernen kræver mere brændstof, ændres det lokale forhold mellem iltet og deoxygeneret blod med en brøkdel. Oxygeneret blod har andre magnetiske egenskaber end den iltfattige version, og fMRI-maskiner måler de resulterende små ændringer i lokale magnetfelter.

Men det er ikke nogen ringe bedrift. Hjernen skifter lidt i kraniet med hvert åndedrag og hjerteslag, og folk – især børn! – ligger ikke helt stille i en time. Vi har en slingrende, pulserende, slingrende maskine, der forbruger enorme mængder ilt af mange årsager, og oven på hvilke vi forsøger at måle et lille signal, siger Saxe. Så er der timingproblemet: neural aktivering tager brøkdele af et sekund, men ændringer i blodets iltniveau sker over seks sekunder eller mere - og niveauerne vender ikke altid tilbage til det samme basistal, hvilket øger rod. Derfor, siger Saxe, laver vi bevægelseskorrektion. Vi laver rumlig udjævning for at slippe af med noget af støjen. Vi filtrerer midlertidigt alt, hvad der sker i løbet af 10 minutter eller længere - den tidsskala, hvor artefakter som scanneren, der opvarmes, vises i dataene. Det tager timers analyse at lokalisere et signal - alt sammen bare for at begynde at finde ud af, hvad en måling kan betyde.

Sen morgen færdiggjorde det første barn sin liste af historier, og så gentog holdet sekvensen med det andet og sidste emne for dagen, en ni-årig dreng. Da han klatrede ned fra scanneren, havde de fleste i gruppen planer om at tage ud til middag.



Saxe blev tilbage. Nu begyndte forsøgets bøje-føde-fase: at transformere de rå tal fra scanningen til en form, der kunne analyseres. Der gik timer. Saxes kolleger spiste og vendte tilbage. Hun blev ved computeren. Senest på aftenen havde hun afsluttet førstegangsbehandlingen. Bevægelsesartefakter - væk; maskinstøj - under kontrol; ramme efter ramme matchede prompt til neural handling.

Det, hun så, tillod Saxe at ånde ud: hun havde data. Holdet havde vist, at det er muligt at få brugbare resultater fra børn, som de fleste forskere mente var for nervøse til at forestille sig. Endnu vigtigere, da de indsamlede scanninger fra forsøgspersoner så unge som seks, fandt Saxe og Pelphrey noget nyt. De ældre børn lignede stort set voksne, siger Saxe. Deres ToM-områder lyste op, da de hørte et segment, der tvang dem til at tænke på, hvad en anden tænkte, men ikke under de dele af historierne, der blot beskrev, at nogen gjorde noget. Men de små børns scanninger var anderledes. Deres hjerneområder reagerede på alt om mennesker - ikke kun anekdoter om menneskers mentale tilstande, men alt med mennesker til stede.

Der er flere måder at forklare det resultat på, men Saxe går ind for, hvad hun kalder en skør idé: At hjernen starter med et almene fakultet til at tænke på social interaktion og derefter specialiserer sig. Hendes team begyndte at opdage, at når vi vokser op, dropper vores hjerneområder nogle jobs for at blive eksperter i andre.

Denne påstand er stadig foreløbig, men efterfølgende arbejde i Saxes laboratorium og andre steder har styrket den. Nu, siger Saxe, tror vi, at vi har et udviklingsmønster. Nu vil vi gerne vide, hvordan og hvorfor denne udvikling sker, og hvad der kan få den til at ændre sig. For at finde ud af det kører hendes laboratorium undersøgelser på forskellige veje til ToM-specialisering. Den ene ser på børn på autismespektret; en anden er at undersøge blinde børn, som engagerer andres tanker gennem hørelse frem for syn; og en tredje efterforsker døve børn, hvoraf nogle bliver udsat for sprog relativt sent, hvis deres forældre ikke ved, hvordan de skal skrive under. Ingen har endnu givet endelige resultater.

Saxe er ikke længere en fodløs postdoc. Hun leder et laboratorium nu, og hun er stadig ikke vant til alt, hvad der skal til for at lave videnskab i stadig større skala. Mere end et dusin forskere er involveret i blot et af de nye studier, siger hun. Der er en note af undren - virkelig vantro - som hun tilføjer: Dengang var det bare mig, der tegnede på mit bord. Nu har vi brug for én person på 100 procent tid bare for at spore det projekt.

Alligevel griner hun, mens hun siger det. Hun og hendes kolleger offentliggjorde resultaterne af Duke-undersøgelsen i 2009, men der er noget, der ikke stødte på på siden - et aspekt af videnskaben, der ikke kan fanges i nogen affektløs opgørelse af dataene. Den nat i North Carolina, det første øjeblik, hvor det virkede? hun siger. Det var spændende.

træ tegning

En eksempelhistorie fra børns ToM-eksperiment

Fysisk segment:
Ude bag den store røde lade i kanten af ​​valnøddelunden ligger kvarterets mest storslåede dam. Det er bredt og dybt og i skyggen af ​​et gammelt egetræ. Der er alle mulige ting i den dam: fisk og gamle sko og tabt legetøj og trehjulede cykler og mange andre overraskelser.

Personsegment:
Gamle Mr. McFeeglebee er en grå rynket gammel bonde, som bærer grå rynkede gamle overalls og grå rynkede gamle støvler. Han har boet på denne jord hele sit liv, længere endda end de fleste træer. Lille Georgie er Mr. McFeeglebees nevø fra byen.

Mental segment:
Mr. McFeeglebee ønsker ikke, at nogen små drenge skal fiske i dammen. Men lille Georgie lader, som om hun ikke lægger mærke til det. Han kan så godt lide at fiske, og desuden ved han, at han kan løbe hurtigere end nogen i byen. Georgie beslutter sig for at løbe virkelig hurtigt væk, hvis Mr. McFeeglebee ser ham fiske.

Spørgsmål:
Hvad synes du? Fisker lille Georgie i dammen? [pause] Godt arbejde! Tid til næste historie!

skjule