Knækker hjernens koder

Hvordan taler hjernen til sig selv? Ved

• Christof Koch arkiv side
• Gary Marcus arkiv side

17. juni 2014

I Hvad er livet? (1944) var et af de grundlæggende spørgsmål, fysikeren Erwin Schrödinger stillede, om der var en slags arvelig kodeskrift indlejret i kromosomer. Et årti senere svarede Crick og Watson bekræftende på Schrödingers spørgsmål. Genetisk information blev lagret i det simple arrangement af nukleotider langs lange DNA-strenge.

Spørgsmålet var, hvad alle disse DNA-strenge betød. Som de fleste skolebørn nu ved, var der en kode indeholdt i: tilstødende trioer af nukleotider, såkaldte kodoner, transskriberes fra DNA til forbigående sekvenser af RNA-molekyler, som oversættes til de lange kæder af aminosyrer, som vi kender som proteiner. At knække den kode viste sig at være en knudepunkt for stort set alt, hvad der fulgte i molekylærbiologi. Som det sker, viste koden til at oversætte trioer af nukleotider til aminosyrer (f.eks. nukleotiderne AAG-koder for aminosyren lysin) at være universel; celler i alle organismer, store som små - bakterier, kæmpe sequoiaer, hunde og mennesker - bruger den samme kode med mindre variationer. Vil neurovidenskab nogensinde opdage noget af lignende skønhed og kraft, en mesterkode, der giver os mulighed for at fortolke ethvert mønster af neural aktivitet efter behag?

Denne historie var en del af vores juli 2014-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

På spil er stort set alle radikale fremskridt inden for neurovidenskab, som vi måske kan forestille os - hjerneimplantater, der forbedrer vores hukommelse eller behandler mentale lidelser som skizofreni og depression, for eksempel, og neuroproteser, der tillader lammede patienter at bevæge deres lemmer. Fordi alt, hvad du tænker, husker og føler er kodet i din hjerne på en eller anden måde, vil dechifrering af hjernens aktivitet være et kæmpe skridt mod fremtiden for neuroengineering.

En dag vil elektronik implanteret direkte i hjernen gøre det muligt for patienter med rygmarvsskade at omgå de berørte nerver og kontrollere robotter med deres tanker (se Tankeeksperimentet). Fremtidige biofeedback-systemer kan endda være i stand til at forudse tegn på mental lidelse og afværge dem. Hvor folk i nutiden bruger tastaturer og berøringsskærme, kan vores efterkommere om hundrede år derefter bruge direkte hjerne-maskine-grænseflader.

Men for at gøre det – for at bygge software, der kan kommunikere direkte med hjernen – skal vi knække dens koder. Vi skal lære at se på sæt neuroner, måle, hvordan de skyder, og omdanne deres budskab.

Et kaos af koder

Allerede nu begynder vi at opdage spor om, hvordan hjernens kodning fungerer. Måske det mest fundamentale: undtagen hos nogle af de mindste væsner, såsom rundormen C. elegans , den grundlæggende enhed for neuronal kommunikation og kodning er spidsen (eller aktionspotentialet), en elektrisk impuls på omkring en tiendedel af en volt, der varer lidt mindre end et millisekund. I det visuelle system, for eksempel, bliver lysstråler, der trænger ind i nethinden, hurtigt oversat til pigge, der sendes ud på synsnerven, bundtet af omkring en million output-ledninger, kaldet axoner, der løber fra øjet til resten af ​​hjernen. Bogstaveligt talt alt, hvad du ser, er baseret på disse spidser, hver retinal neuron affyrer med en forskellig hastighed, afhængigt af arten af ​​stimulus, for at give flere megabyte visuel information pr. sekund. Hjernen som helhed, gennem hele vores vågne liv, er en veritabel symfoni af neurale pigge - måske en trillion i sekundet. At dechifrere hjernen er i høj grad at udlede betydningen af ​​dens pigge.

Men udfordringen er, at spidser betyder forskellige ting i forskellige sammenhænge. Det er allerede klart, at neuroforskere næppe er lige så heldige som molekylærbiologer. Mens koden, der konverterer nukleotider til aminosyrer, er næsten universel, brugt på stort set samme måde i hele kroppen og i hele den naturlige verden, er spike-to-information-koden sandsynligvis et sammensurium: ikke kun én kode, men mange, der ikke er forskellige kun i nogen grad mellem forskellige arter, men endda mellem forskellige dele af hjernen. Hjernen har mange funktioner, lige fra at kontrollere vores muskler og stemme til at fortolke de syn, lyde og lugte, der omgiver os, og hver form for problem kræver sin egen slags koder.

En sammenligning med computerkoder gør det klart, hvorfor dette kan forventes. Overvej den næsten allestedsnærværende ASCII-kode, der repræsenterer de 128 tegn, inklusive tal og alfanumerisk tekst, der bruges i kommunikation såsom almindelig tekst-e-mail. Næsten alle moderne computere bruger ASCII, som koder det store bogstav A som 100 0001, B som 100 0010, C som 100 0011 og så videre. Når det kommer til billeder, er den kode dog ubrugelig, og forskellige teknikker skal bruges. Ukomprimerede bitmapbilleder tildeler f.eks. strenge af bytes til at repræsentere intensiteten af ​​farverne rød, grøn og blå for hver pixel i arrayet, der udgør et billede. Forskellige koder repræsenterer vektorgrafik, film eller lydfiler.

Nogle af de vigtigste koder i ethvert dyrs hjerne er dem, det bruger til at lokalisere dets placering i rummet. Hvordan fungerer vores egen interne GPS? Hvordan koder mønstre af neural aktivitet, hvor vi er, mens vi bevæger os?

Beviser peger i samme retning for hjernen. I stedet for en enkelt universel kode, der præciserer, hvad mønstre af pigge betyder, ser der ud til at være mange, afhængigt af hvilken slags information, der skal kodes. Lyde er for eksempel i sagens natur endimensionelle og varierer hurtigt over tid, mens billederne, der strømmer fra nethinden, er todimensionelle og har en tendens til at ændre sig i et mere bevidst tempo. Lugt, som afhænger af koncentrationer af hundredvis af luftbårne lugtstoffer, er helt afhængig af et andet system. Når det er sagt, er der nogle generelle principper. Det, der betyder mest, er ikke præcist, hvornår en bestemt neuron spikes, men hvor ofte den gør det; affyringshastigheden er hovedvalutaen.

Overvej for eksempel neuroner i den visuelle cortex, det område, der modtager impulser fra synsnerven via et relæ i thalamus. Disse neuroner repræsenterer verden i form af de grundlæggende elementer, der udgør enhver visuel scene - linjer, punkter, kanter og så videre. En given neuron i den visuelle cortex kan stimuleres kraftigst af lodrette linjer. Når linjen roteres, varierer hastigheden, hvormed det neuron affyrer: fire spidser på en tiendedel af et sekund, hvis linjen er lodret, men måske kun én gang i samme interval, hvis den drejes 45° mod uret. Selvom neuronen reagerer mest på lodrette linjer, er den aldrig stum. Ingen enkelt spids signalerer, om den reagerer på en lodret linje eller noget andet. Kun samlet - i neuronens affyringshastighed over tid - kan betydningen af ​​dens aktivitet skelnes.

Denne strategi, kendt som hastighedskodning, bruges på forskellige måder i forskellige hjernesystemer, men den er almindelig i hele hjernen. Forskellige underpopulationer af neuroner koder for bestemte aspekter af verden på en lignende måde - ved at bruge affyringshastigheder til at repræsentere variationer i lysstyrke, hastighed, afstand, orientering, farve, tonehøjde og endda haptisk information såsom positionen af ​​et nålestik i din håndflade . Individuelle neuroner affyrer hurtigst, når de opdager en foretrukken stimulus, mindre hurtigt, når de ikke gør det.

For at gøre tingene mere komplicerede koder spidser, der kommer fra forskellige slags celler, forskellige slags information. Nethinden er et indviklet lagdelt stykke nervesystemvæv, der beklæder bagsiden af ​​hvert øje. Dens opgave er at omdanne brusen af ​​indkommende fotoner til udgående udbrud af elektriske spidser. Neuroanatomer har identificeret mindst 60 forskellige typer retinale neuroner, hver med sin egen specialiserede form og funktion. Axonerne af 20 forskellige nethindecelletyper udgør den optiske nerve, øjets eneste output. Nogle af disse celler signalerer bevægelse i flere kardinalretninger; andre specialiserer sig i at signalere overordnet billedlysstyrke eller lokal kontrast; atter andre bærer information vedrørende farve. Hver af disse populationer streamer sine egne data parallelt til forskellige behandlingscentre opstrøms fra øjet. For at rekonstruere arten af ​​den information, som nethinden koder, skal forskerne spore ikke kun hastigheden af ​​hver neurons spiking, men også identiteten af ​​hver celletype. Fire spidser, der kommer fra en celletype, kan kode for en lille farvet klat, hvorimod fire spidser fra en anden celletype kan kode for et bevægeligt gråt mønster. Antallet af spidser er meningsløst, medmindre vi ved, hvilken bestemt type celle de kommer fra.

Og hvad der er sandt for nethinden ser ud til at holde i hele hjernen. Alt i alt kan der være op til tusinde neuronale celletyper i den menneskelige hjerne, hver formentlig med sin egen unikke rolle.

Crowds' visdom

Typisk involverer vigtige koder i hjernen handlingen af ​​mange neuroner, ikke kun én. Synet af et ansigt udløser for eksempel aktivitet i tusindvis af neuroner i højere-ordens sektorer af den visuelle cortex. Hver celle reagerer noget forskelligt og reagerer på en anden detalje - ansigtets nøjagtige form, hudfarven, den retning, øjnene er fokuseret i, og så videre. Den større betydning ligger i cellernes kollektive respons.

Et stort gennembrud i forståelsen af ​​dette fænomen, kendt som befolkningskodning, kom i 1986, da Apostolos Georgopoulos, Andrew Schwartz og Ronald Kettner ved Johns Hopkins University School of Medicine lærte, hvordan et sæt neuroner i abers motoriske cortex kodede retningen. hvor en abe bevæger et lem. Ingen neuron bestemte fuldt ud, hvor lemmen ville bevæge sig, men det gjorde information samlet på tværs af en population af neuroner. Ved at beregne en slags vægtet gennemsnit af alle de neuroner, der affyrede, fandt Georgopoulos og hans kolleger, kunne de pålideligt og præcist udlede den tilsigtede bevægelse af abens arm.

En af de første illustrationer af, hvad neuroteknologi en dag kan opnå, bygger direkte på denne opdagelse. Brown University neurovidenskabsmand John Donoghue har udnyttet ideen om befolkningskodning til at bygge neurale dekodere - der inkorporerer både software og elektroder - der fortolker neural affyring i realtid. Donoghues team implanterede en børstelignende række af mikroelektroder direkte i den motoriske cortex på en lammet patient for at registrere neural aktivitet, mens patienten forestillede sig forskellige typer motoriske aktiviteter. Ved hjælp af algoritmer, der fortolkede disse signaler, kunne patienten bruge resultaterne til at styre en robotarm. Robotarmens tankekontrol er stadig langsom og klodset, svarende til at styre en kørende varevogn, der ikke er på linje. Men arbejdet er et kraftfuldt hint om, hvad der skal komme, efterhånden som vores evne til at afkode hjernens aktivitet forbedres.

Blandt de vigtigste koder i ethvert dyrs hjerne er dem, det bruger til at lokalisere dets placering i rummet. Hvordan fungerer vores egen interne GPS? Hvordan koder mønstre af neural aktivitet, hvor vi er? Et første vigtigt hint kom i begyndelsen af ​​1970'erne med John O'Keefes opdagelse på University College i London af, hvad der blev kendt som stedceller i hippocampus hos rotter. Sådanne celler brænder hver gang dyret går eller løber gennem en bestemt del af et velkendt miljø. I laboratoriet kan en celle affyres oftest, når dyret er i nærheden af ​​en labyrints grenpunkt; en anden reagerer måske mest aktivt, når dyret er tæt på indgangspunktet. Mand-og-kone-teamet af Edward og May-Britt Moser opdagede en anden type rumlig kodning baseret på det, der er kendt som gitterceller. Disse neuroner affyrer mest aktivt, når et dyr er i spidserne af et forestillet geometrisk gitter, der repræsenterer dets miljø. Med sæt af sådanne celler er dyret i stand til at triangulere sin position, selv i mørke. (Der ser ud til at være mindst fire forskellige sæt af disse gitterceller med forskellige opløsninger, hvilket tillader en fin grad af rumlig repræsentation.)

Andre koder giver dyr mulighed for at kontrollere handlinger, der finder sted over tid. Et eksempel er kredsløbet, der er ansvarligt for at udføre de motoriske sekvenser, der ligger til grund for sang i sangfugle. Voksne hanfinker synger for deres kvindelige partnere, hver stereotype sang varer kun et par sekunder. Som Michale Fee og hans samarbejdspartnere ved MIT opdagede, er neuroner af én type inden for en bestemt struktur helt stille, indtil fuglen begynder at synge. Når fuglen når et bestemt punkt i sin sang, bryder disse neuroner pludselig ud i et enkelt udbrud af tre til fem tæt klyngede pigge, for så at blive stille igen. Forskellige neuroner bryder ud på forskellige tidspunkter. Det ser ud til, at individuelle klynger af neuroner koder for tidsmæssig orden, som hver repræsenterer et bestemt øjeblik i fuglens sang.

Bedstemor kodning

I modsætning til en skrivemaskine, hvor en enkelt tast entydigt specificerer hvert bogstav, bruger ASCII-koden flere bits til at bestemme et bogstav: Det er et eksempel på, hvad dataloger kalder en distribueret kode. På lignende måde har teoretikere ofte forestillet sig, at komplekse begreber kunne være bundter af individuelle træk; begrebet Berner Sennenhund kan være repræsenteret af neuroner, der affyrer som reaktion på begreber som hund, sneelskende, venlig, stor, brun og sort, og så videre, mens mange andre neuroner, såsom dem, der reagerer på køretøjer eller katte , undlader at skyde. Samlet set kan denne store population af neuroner repræsentere et koncept.

Der er grund til håb. Optogenetik giver nu forskere mulighed for at tænde og slukke genetisk identificerede klasser af neuroner efter ønske med farvede lysstråler. Det kunne i høj grad fremskynde søgningen efter koder.

En alternativ forestilling, kaldet sparse kodning, har fået meget mindre opmærksomhed. Faktisk foragtede neurovidenskabsmænd engang ideen som bedstemor-celle-kodning. Det hånlige udtryk indebar en hypotetisk neuron, der kun ville affyres, når dens bærer så eller tænkte på hans eller hendes bedstemor - helt sikkert, eller det så det ud til, et absurd koncept.

Men for nylig hjalp en af ​​os (Koch) med at finde beviser for en variation af dette tema. Selvom der ikke er nogen grund til at tro, at en enkelt neuron i din hjerne repræsenterer din bedstemor, ved vi nu, at individuelle neuroner (eller i det mindste forholdsvis små grupper af dem) kan repræsentere bestemte begreber med stor specificitet. Optagelser fra mikroelektroder implanteret dybt inde i epileptiske patienters hjerner afslørede enkelte neuroner, der reagerede på ekstremt specifikke stimuli, såsom berømtheder eller kendte ansigter. En sådan celle reagerede for eksempel på forskellige billeder af skuespillerinden Jennifer Aniston. Andre reagerede på billeder af Luke Skywalker af Star wars berømmelse, eller til hans navn stavet ud. Et velkendt navn kan være repræsenteret af så få som hundrede og så mange som en million neuroner i den menneskelige hippocampus og tilstødende regioner.

Sådanne fund tyder på, at hjernen faktisk kan sammenkoble små grupper af neuroner for at kode vigtige ting, den støder på igen og igen, en slags neuronal stenografi, der kan være fordelagtig til hurtigt at forbinde og integrere nye fakta med allerede eksisterende viden.

Ukendt land

Hvis neurovidenskaben har gjort reelle fremskridt med at finde ud af, hvordan en given organisme koder for det, den oplever i et givet øjeblik, skal den gå videre mod at forstå, hvordan organismer koder for deres langsigtede viden. Vi ville åbenbart ikke overleve længe i denne verden, hvis vi ikke kunne lære nye færdigheder, som den orkestrerede sekvens af handlinger og beslutninger, der er forbundet med at køre bil. Alligevel er den præcise metode, vi gør dette på, stadig mystisk. Spikes er nødvendige, men ikke tilstrækkelige til at omsætte intentioner til handling. Langtidshukommelsen - ligesom den viden, vi udvikler, efterhånden som vi tilegner os en færdighed - kodes anderledes, ikke af salve af konstant cirkulerende spidser, men snarere af bogstavelig omledning af vores neurale netværk.

Denne omledning opnås i det mindste delvist ved at omforme de synapser, der forbinder neuroner. Vi ved, at mange forskellige molekylære processer er involveret, men vi ved stadig lidt om, hvilke synapser der modificeres og hvornår, og næsten intet om, hvordan man arbejder baglæns fra et neuralt forbindelsesdiagram til de særlige hukommelser, der er kodet.

Et andet mysterium handler om, hvordan hjernen repræsenterer sætninger og sætninger. Selvom der er et lille sæt neuroner, der definerer et begreb som din bedstemor, er det usandsynligt, at din hjerne har allokeret specifikke sæt neuroner til komplekse begreber, der er mindre almindelige, men stadig umiddelbart forståelige, som Barack Obamas mormor. Det er ligeledes usandsynligt, at hjernen dedikerer bestemte neuroner på fuld tid til at repræsentere hver ny sætning, vi hører eller producerer. I stedet, hver gang vi fortolker eller producerer en ny sætning, integrerer hjernen sandsynligvis flere neurale populationer, der kombinerer koder for grundlæggende elementer (som individuelle ord og begreber) i et system til at repræsentere komplekse, kombinatoriske helheder. Endnu har vi ingen anelse om, hvordan dette er opnået.

En af grundene til, at sådanne spørgsmål om hjernens skemaer til kodning af information har vist sig at være så svære at knække, er, at den menneskelige hjerne er så uhyre kompleks og omfatter 86 milliarder neuroner forbundet af noget i størrelsesordenen en kvadrillion synaptiske forbindelser. En anden er, at vores observationsteknikker forbliver rå. De mest populære billeddannelsesværktøjer til at kigge ind i den menneskelige hjerne har ikke den rumlige opløsning til at fange individuelle neuroner i gang med at skyde. For at studere neurale kodningssystemer, der er unikke for mennesker, såsom dem, der bruges i sprog, har vi sandsynligvis brug for værktøjer, der endnu ikke er opfundet, eller i det mindste væsentligt bedre måder at studere meget indflettede populationer af individuelle neuroner i den levende hjerne.

Det er også værd at bemærke, at det, neuroingeniører forsøger at gøre, er lidt ligesom aflytning - at aflytte hjernens egen interne kommunikation for at prøve at finde ud af, hvad de mener. Noget af den aflytning kan vildlede os. Hver neural kode, vi kan knække, vil fortælle os noget om, hvordan hjernen fungerer, men ikke hver kode, vi knækker, er noget, hjernen selv gør direkte brug af. Nogle af dem kan være epifænomener - utilsigtede tics, der, selvom de viser sig nyttige til ingeniørmæssige og kliniske anvendelser, kan være adspredelser på vejen til en fuld forståelse af hjernen.

Ikke desto mindre er der grund til at være optimistisk over, at vi bevæger os hen imod den forståelse. Optogenetik giver nu forskere mulighed for at tænde og slukke genetisk identificerede klasser af neuroner efter ønske med farvede lysstråler. Enhver population af neuroner, der har et kendt, unikt molekylært postnummer, kan mærkes med en fluorescerende markør og derefter enten fås til at spike med millisekunders præcision eller forhindres i at spike. Dette gør det muligt for neurovidenskabsmænd at gå fra at observere neuronal aktivitet til delikat, forbigående og reversibelt at interferere med den. Optogenetik, der nu primært bruges i fluer og mus, vil i høj grad fremskynde søgningen efter neurale koder. I stedet for blot at korrelere spidsmønstre med en adfærd, vil eksperimentalister være i stand til at skrive i mønstre af information og direkte studere virkningerne på hjernens kredsløb og adfærd hos levende dyr. Dechifrering af neurale koder er kun en del af kampen. At knække hjernens mange koder vil ikke fortælle os alt, hvad vi gerne vil vide, mere end at forstå ASCII-koder i sig selv kan fortælle os, hvordan et tekstbehandlingsprogram fungerer. Alligevel er det en afgørende forudsætning for at bygge teknologier, der reparerer og forbedrer hjernen.

Tag for eksempel nye bestræbelser på at bruge optogenetik til at afhjælpe en form for blindhed forårsaget af degenerative lidelser, såsom retinitis pigmentosa, der angriber de lysfølende celler i øjet. En lovende strategi bruger en virus indsprøjtet i øjeæblerne til genetisk at modificere retinale ganglieceller, så de bliver lydhøre over for lys. Et kamera monteret på briller ville pulsere lysstråler ind i nethinden og udløse elektrisk aktivitet i de genetisk modificerede celler, som direkte ville stimulere det næste sæt neuroner i signalvejen - genoprette synet. Men for at få dette til at fungere, bliver videnskabsmænd nødt til at lære sproget for disse neuroner. Når vi lærer at kommunikere med hjernen på dens eget sprog, kan helt nye verdener af muligheder snart dukke op.

Christof Koch er videnskabelig chef for Allen Institute for Brain Science i Seattle. Gary Marcus, professor i psykologi ved New York University og en hyppig blogger for New Yorker , er medredaktør af den kommende bog Hjernens fremtid.

skjule