Hvor stor videnskab undlod at låse op for den menneskelige hjernes mysterier

Store, dyre indsatser for at kortlægge hjernen startede for et årti siden, men er stort set kommet til kort. Det er en god påmindelse om, hvor komplekst dette organ er.

Ved

• Emily Mullin arkiv side

25. august 2021

Andrea Daquino

I september 2011 samledes en gruppe neurovidenskabsmænd og nanovidenskabsmænd på en malerisk ejendom i det engelske landskab til et symposium, der skulle bringe deres to felter sammen.

På mødet fremsatte neurobiolog Rafael Yuste fra Columbia University og genetiker George Church fra Harvard et ikke så beskedent forslag: at kortlægge aktiviteten af ​​hele den menneskelige hjerne på niveau med individuelle neuroner og detaljere, hvordan disse celler danner kredsløb. Den viden kunne udnyttes til at behandle hjernesygdomme som Alzheimers, autisme, skizofreni, depression og traumatisk hjerneskade. Og det ville hjælpe med at besvare et af videnskabens store spørgsmål: Hvordan skaber hjernen bevidsthed?

Denne historie var en del af vores september 2021-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Yuste, Church og deres kolleger udarbejdede et forslag, der senere skulle blive det offentliggjort i tidsskriftet Neuron . Deres ambition var ekstrem: en storstilet, international offentlig indsats, Brain Activity Map Project, der havde til formål at rekonstruere den fulde rekord af neural aktivitet på tværs af komplette neurale kredsløb. Ligesom Human Genome Project et årti tidligere, skrev de, ville hjerneprojektet føre til helt nye industrier og kommercielle satsninger.

Nye teknologier ville være nødvendige for at nå det mål, og det var her, nanoforskerne kom ind. Dengang kunne forskere registrere aktivitet fra blot et par hundrede neuroner på én gang – men med omkring 86 milliarder neuroner i den menneskelige hjerne var det beslægtet med ser et tv en pixel ad gangen, huskede Yuste i 2017. Forskerne foreslog værktøjer til at måle hver spids fra hver neuron i et forsøg på at forstå, hvordan affyringen af ​​disse neuroner producerede komplekse tanker.

Det dristige forslag fascinerede Obama-administrationen og lagde grundlaget for fleråret Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN) Initiative , annonceret i april 2013. Præsident Obama kaldte det det næste store amerikanske projekt.

Relateret historie

Hvorfor Obamas hjernekortlægningsprojekt betyder noget Obama kræver 100 millioner dollars til at udvikle nye teknologier til at forstå hjernen.

Men det var ikke det første dristige hjerneforetagende. Faktisk et par år tidligere, Henry Markram, en neuroforsker ved Federal Institute of Technology i Lausanne i Schweiz, havde sat sig et endnu højere mål: at lave en computersimulering af en levende menneskelig hjerne. Markram ønskede at bygge en fuldt digital, tredimensionel model med opløsningen af ​​den enkelte celle, og spore alle disse cellers mange forbindelser. Vi kan gøre det inden for 10 år, pralede han under en 2009 TED talk .

I januar 2013, et par måneder før det amerikanske projekt blev annonceret, tildelte EU Markram 1,3 milliarder dollar til at bygge hans hjernemodel. USA og EU-projekter udløste lignende storstilet forskningsindsats i lande, herunder Japan, Australien, Canada, Kina, Sydkorea og Israel. En ny æra af neurovidenskab var begyndt.

En umulig drøm?

Et årti senere afvikles det amerikanske projekt, og EU-projektet står over for sin deadline for at bygge en digital hjerne. Så hvordan gik det? Er vi begyndt at afsløre den menneskelige hjernes hemmeligheder? Eller har vi brugt et årti og milliarder af dollars på at jagte en vision, der forbliver lige så uhåndgribelig som nogensinde?

Fra begyndelsen havde begge projekter kritikere.

Forskere fra EU var bekymrede over omkostningerne ved Markram-ordningen og troede, at den ville presse anden neurovidenskabelig forskning ud. Og selv på det oprindelige møde i 2011, hvor Yuste og Church præsenterede deres ambitiøse vision, argumenterede mange af deres kolleger for, at det simpelthen ikke var muligt at kortlægge de komplekse affyringer af milliarder af menneskelige neuroner. Andre sagde, at det var muligt, men ville koste for mange penge og generere flere data, end forskere ville vide, hvad de skulle gøre med.

I en blærende artikel, der dukkede op i Scientific American i 2013, fortalte Partha Mitra, en neuroforsker ved Cold Spring Harbor Laboratory, advaret mod den irrationelle overflod bag hjerneaktivitetskortet og stillede spørgsmålstegn ved, om dets overordnede mål var meningsfuldt.

Relateret historie

Neurovidenskabsmænd protesterer mod Europas Human Brain Project Kritikere kalder vægten på storskala computersimuleringer i EU's hjerneprojekt for tidligt.

Selv hvis det var muligt at registrere alle spidser fra alle neuroner på én gang, hævdede han, eksisterer en hjerne ikke isoleret: for at kunne forbinde prikkerne korrekt, skal du samtidig optage eksterne stimuli, som hjernen er udsat for , samt organismens adfærd. Og han ræsonnerede, at vi er nødt til at forstå hjernen på et makroskopisk niveau, før vi forsøger at afkode, hvad affyring af individuelle neuroner betyder.

Andre var bekymrede over virkningen af ​​at centralisere kontrol over disse områder. Cornelia Bargmann, en neuroforsker ved Rockefeller University, bekymrede sig om, at det ville fortrænge forskning med individuelle efterforskere i spidsen. (Bargmann blev hurtigt anmodet til at være med til at lede BRAIN Initiatives arbejdsgruppe.)

Der er ikke en eneste, aftalt teori om, hvordan hjernen fungerer, og ikke alle i feltet var enige om, at det at bygge en simuleret hjerne var den bedste måde at studere den på.

Mens det amerikanske initiativ søgte input fra videnskabsmænd til at guide dets retning, var EU-projektet afgjort mere top-down med Markram i spidsen. Men som Noah Hutton dokumenterer i sin film fra 2020 I Silico , blev Markrams store planer snart optrevlet. Som bachelorstuderende, der studerede neurovidenskab, havde Hutton fået til opgave at læse Markrams papirer og var imponeret over hans forslag om at simulere den menneskelige hjerne; da han begyndte at lave dokumentarfilm, besluttede han sig for at fortælle om indsatsen. Han indså dog hurtigt, at milliardvirksomheden mere var præget af indbyrdes kampe og skiftende mål end af banebrydende videnskab.

I Silico viser Markram som en karismatisk leder, der var nødt til at fremsætte dristige påstande om fremtiden for neurovidenskab for at tiltrække midler til at udføre sin særlige vision. Men projektet var fra starten besværet af et stort problem: Der er ikke en eneste, aftalt teori om, hvordan hjernen fungerer, og ikke alle i feltet var enige om, at bygning af en simuleret hjerne var den bedste måde at studere den på. Det tog ikke lang tid, før de forskelle opstod i EU-projektet.

I 2014 skrev hundredvis af eksperter over hele Europa et brev med henvisning til bekymringer om tilsyn, finansieringsmekanismer og gennemsigtighed i Human Brain Project . Forskerne mente, at Markrams mål var for tidligt og for snævert og ville udelukke finansiering til forskere, der søgte andre måder at studere hjernen på.

Det, der slog mig, var, hvis han havde succes og tændte den, og den simulerede hjerne virkede, hvad har du så lært? Terry Sejnowski, en computerneuroforsker ved Salk Institute, som tjente i den rådgivende komité for BRAIN Initiative, fortalte mig. Simuleringen er lige så kompliceret som hjernen.

Human Brain Projects bestyrelse stemte for at ændre dets organisation og ledelse i begyndelsen af ​​2015, og erstattede en tre-medlems eksekutivkomité ledet af Markram med en 22-medlemmers bestyrelse. Christoph Ebell, en schweizisk iværksætter med en baggrund i videnskabsdiplomati, blev udnævnt til administrerende direktør. Da jeg tog over, var projektet på et krisepunkt, siger han. Folk spekulerede åbenlyst på, om projektet ville fortsætte.

Men et par år senere var han også ude, efter en strategisk uenighed med projektets værtsinstitution. Projektet er nu fokuseret på at levere en ny beregningsforskningsinfrastruktur til at hjælpe neuroforskere med at lagre, behandle og analysere store mængder data – usystematisk dataindsamling har været et problem for feltet – og udvikle 3D-hjerneatlas og software til at skabe simuleringer.

US BRAIN Initiative undergik i mellemtiden sine egne ændringer. Tidligt, i 2014, reagerede det på videnskabsmænds bekymringer og anerkendte grænserne for, hvad der var muligt, udviklede det sig til noget mere pragmatisk, med fokus på udvikle teknologier til at sondere hjernen.

Ny dag

Disse ændringer er endelig begyndt at give resultater - selvom det ikke var dem, som grundlæggerne af hvert af de store hjerneprojekter oprindeligt havde forudset.

Sidste år udgav Human Brain Project en 3D digitalt kort, der integrerer forskellige aspekter af menneskelig hjerneorganisation på millimeter- og mikrometerniveau. Det er i bund og grund en Google Earth til hjernen.

Relateret historie

Et detaljeret 3D-atlas af en menneskelig hjerne Forskere har afbildet anatomien af ​​en hel menneskelig hjerne med hidtil uset opløsning.

Og tidligere i år rapporterede Alipasha Vaziri, en neuroforsker finansieret af BRAIN Initiative, og hans team ved Rockefeller University i et fortrykt papir, at de samtidig havde registreret aktiviteten af ​​mere end en million neuroner på tværs af musebarken. Det er den største registrering af dyrs kortikal aktivitet, der til dato er lavet, om end langt fra at lytte til alle 86 milliarder neuroner i den menneskelige hjerne, som det originale Brain Activity Map håbede.

Den amerikanske indsats har også vist nogle fremskridt i sit forsøg på at bygge nye værktøjer til at studere hjernen. Det har fremskyndet udviklingen af ​​optogenetik, en tilgang, der bruger lys til at kontrollere neuroner, og dens finansiering har ført til nye high-density siliciumelektroder, der er i stand til at optage fra hundredvis af neuroner samtidigt. Og det har uden tvivl accelereret udviklingen af ​​enkeltcelle-sekventering. I september vil forskere, der bruger disse fremskridt, offentliggøre en detaljeret klassificering af celletyper i musens og menneskelige motoriske cortex - den største enkeltstående output fra BRAIN Initiative til dato.

Selvom disse alle er vigtige skridt fremad, er de dog langt fra de oprindelige store ambitioner.

Varig arv

Vi er nu på vej ind i den sidste fase af disse projekter – EU-indsatsen afsluttes i 2023, mens det amerikanske initiativ forventes at have finansiering frem til 2026. Hvad der sker i de næste år vil afgøre, hvor stor indflydelse de vil have på inden for neurovidenskab.

Da jeg spurgte Ebell, hvad han ser som den største bedrift ved Human Brain Project, nævnte han ikke nogen videnskabelig præstation. I stedet pegede han på HJERNE , en platform lanceret i april i år for at hjælpe neurovidenskabsmænd med at arbejde med neurologiske data, udføre modellering og simulere hjernefunktion. Det tilbyder forskere en bred vifte af data og forbinder mange af de mest avancerede europæiske laboratoriefaciliteter, supercomputercentre, klinikker og teknologihubs i ét system.

Hvis du spørger mig ’Er du tilfreds med, hvordan det blev?’ ville jeg sige ja, sagde Ebell. Har det ført til de gennembrud, som nogle har forventet i forhold til at få en helt ny forståelse af hjernen? Måske ikke.

Katrin Amunts, en neuroforsker ved universitetet i Düsseldorf, som har været Human Brain Projects videnskabelige forskningsdirektør siden 2016, siger, at selvom Markrams drøm om at simulere den menneskelige hjerne endnu ikke er blevet realiseret, så kommer den tættere på. Vi vil bruge de sidste tre år på at få den slags simuleringer til at ske, siger hun. Men det bliver ikke en stor enkelt model - i stedet vil der være behov for flere simuleringstilgange for at forstå hjernen i al dens kompleksitet.

I mellemtiden har BRAIN Initiative givet mere end 900 bevillinger til forskere indtil nu, i alt omkring 2 milliarder dollars. National Institutes of Health forventes at bruge næsten 6 milliarder dollars på projektet, når det afsluttes.

I den sidste fase af BRAIN-initiativet vil videnskabsmænd forsøge at forstå, hvordan hjernekredsløb fungerer ved at tegne forbundne neuroner i diagrammer. Men krav om, hvad der kan opnås, er langt mere tilbageholdende end i projektets tidlige dage. Forskerne indser nu, at forståelsen af ​​hjernen vil være en løbende opgave - det er ikke noget, der kan afsluttes inden for et projekts deadline, selvom det projekt opfylder dets specifikke mål.

Med et helt nyt værktøj eller et fantastisk nyt mikroskop ved du, hvornår du har det. Hvis du taler om at forstå, hvordan et stykke af hjernen fungerer, eller hvordan hjernen rent faktisk udfører en opgave, er det meget sværere at vide, hvad succes er, siger Eve Marder, neuroforsker ved Brandeis University. Og succes for én person ville kun være begyndelsen på historien for en anden person.

Yuste og hans kolleger havde ret i, at nye værktøjer og teknikker ville være nødvendige for at studere hjernen på en mere meningsfuld måde. Nu skal forskerne finde ud af, hvordan de skal bruge dem. Men i stedet for at besvare spørgsmålet om bevidsthed, har udviklingen af ​​disse metoder om noget kun åbnet op for flere spørgsmål om hjernen - og vist, hvor kompleks den er.

Jeg skal være ærlig, siger Yuste. Vi havde større forhåbninger.

Emily Mullin er freelancejournalist baseret i Pittsburgh, der fokuserer på bioteknologi.

skjule