Dream-Eksperiment

Hvordan det Periodiske system af Hjerner Kunne Revolutionere Neurovidenskab

Illustration: Jim Cooke Ryan F. MandelbaumToday 9:15amFiled til: brainsFiled til: hjerner

hjerner
neurovidenskab
videnskab

132

Drøm ExperimentThis Gizmodo-serien opfordrer forskerne til at forestille sig deres perfekte eksperiment, der ikke hindres af ressourcer, tid, eller de nuværende begrænsninger af teknologi.

Mellem ørerne sidder måske den mest komplekse stykke af biologiske maskiner på planeten: en alt-i-en-computer, simulator, og skabe enhed, som opererer ud fra en squishy, foldet grå masse. Og forskerne er ikke helt sikker på hvordan det virker.

Gül Dölen, assisterende professor i neurovidenskab ved Brain Science Institute ved Johns Hopkins, mener, at neuroforskere måske skal tage et skridt tilbage for bedre at kunne forstå dette organ, som har udviklet sig i forskellige former i næsten alle dyrearter på Jorden. Skære et par hjerner fra hinanden eller at tage et par MRIs vil ikke være nok til at komme til bunds i, hvordan disse organer fungerer. I stedet, kan det kræve en komparativ tilgang; den mest avancerede katalog, der nogensinde er skabt. Dölen, der for nylig skabte overskrifter for sit arbejde med at give MDMA at blæksprutter, ville elske at se neuroforskere band sammen for at skabe et periodiske system i hjernen. Og ikke blot den menneskelige hjerne, men alle hjerner.

Hun forklarede at hendes ambitiøse eksperiment idé at Gizmodo:

“Den periodiske tabel af elementer, der er bemærkelsesværdig. Når jeg ser på det, er jeg forbløffet og imponeret over igen! Tænk over det: Kun ved at kende antallet af elektroner i den yderste skal af et atom, kan du udlede, fysiske egenskaber af det element, som er det, en gas eller en metal, og hvad mere er, kan du bruge disse oplysninger til at gøre forudsigelser om, ukendte egenskaber, elementer, og endda forudsige eksistensen af elementer, der endnu ikke er fundet på Jorden. Under den periodiske tabel, behøver ikke løse alle gåder af kemi, men det er helt sikkert giver os den ydre kant af puslespillet. I neurovidenskab, at vi ikke har noget lignende.”

Dölen sammenlignet dag neurovidenskab, at “et eller andet sted mellem den antikke græske anerkendelse af fire elementer og middelalderens alkymister, der forsøger at ændre bly til guld.”

Lyder det som overdrivelse? Godt, mener, at neuroforskere kan ikke engang blive enige om hjernens mest grundlæggende oplysninger, der transporterer enheden. Måske er det den gennemsnitlige elektriske felt, eller måske er det handling potentialer—elektriske effekt af enkelt hjerneceller eller neuroner. Måske er det den kombinerede elektriske aktivitet, der neuroner indsamle fra andre neuroner, som de bruger til at bestemme, om at skyde eller ej. Eller måske sin kemikalier inde i cellerne. Alle disse idéer kræver forskellige typer af målinger, som blod-flow overvågning fMRI maskiner, handling potentiale-påvisning af elektroder, spænding sensorer til måling af den elektriske aktivitet, før en neuron brande, og protein-opdage-systemer. Så er der den blomstrende inden for genetik, som også hjælper med at bestemme, hvordan hjernen virker.

Men måske hver af disse forskellige målinger er bare en del af de mange egenskaber, at hjerner er, at der skal katalogiseres. De er svarer til egenskaber som om et element er en fast eller en gas ved stuetemperatur, hvor meget energi atom behov for at tabe en elektron, dens radius, atomvægt, og konfiguration af elektroner. Men der er mange slags hjerner derude. “Lige nu er vores fokus på kun 5 arter (mennesker, mus, fisk, fluer og orme) virkelig begrænser vores evne til at se mønstre,” sagde hun. “Det er som om du forsøger at finde ud af organisationen for den periodiske tabel, ved bare at kigge på brint, kulstof, helium, oxygen og guld.”

Forsøg på at lave generelle regler for, hvordan visse af hjernens egenskaber, der kan forudsige, intelligens ofte falder fra hinanden, Dölen forklaret. Vi engang troede, at hjernens størrelse kunne forudsige intelligens—men kaskelothvaler er meget større hjerner end mennesker. Derefter, troede vi, at forholdet mellem hjernens størrelse og krop ville forudsige, intelligens—men træet spidsmus har en større størrelse-til-vægt-forhold end mennesker. Hun påpegede, at der er massive datamængder har tilladt videnskabsfolk til at skabe et mere præcist billede. For eksempel:

“Suzanna Herculano-Houzel’ s lab faktisk udviklet en systematisk metode til at tælle neuroner tværs over 500 arter på tværs af alle livets træ. Hvad de fandt, er, at stort set antallet af neuroner skalaer med ‘intelligens’, og det på tværs af forskellige evolutionære foraeldre, størrelsen af hjernen er relateret enten til størrelsen af de neuroner, eller at antallet af neuroner. Så, for eksempel, at sammenligne den menneskelige hjerne, til andre primater, som hjernen bliver større, og antallet af neuroner stiger. Men for gnavere som mus og rotter, som hjernen bliver større, størrelsen af de neuroner, bliver større og større. Denne enorme datasæt giver dem også mulighed for at se på relationer mellem neuron antal og intelligens, levetid, senilitet, socialitet, osv.”

Dölen sammenlignet disse indsigter til den komparative metoder bag den periodiske tabel, når du finder den rette mønstre og line alt op, selve tabellen kan gøre forudsigelser. Det var måske den periodiske tabel, der er mest markant brug: Ved simpelthen at arrangere atomerne på en bestemt måde, der er baseret på deres egenskaber, kemiker Dmitri Mendeleev var i stand til præcist at forudsige eksistensen og egenskaberne af tre uopdagede elementer, som er baseret på hullerne i hans bord. Dölen håber en massiv katalog over de egenskaber, som mange hjerner fra så mange arter som muligt, arrangeret i nogle forudbestemte for, vil afsløre revolutionerende viden om, hvordan hjerner fungerer.

I sidste ende, vores forståelse af hjernen er begrænset af vores egen menneskelighed. “Fordi vi kan bygge mobiltelefoner, men musene ikke kan, vi definerer mus, som mindre intelligente,” sagde Dölen. “Men i forhold til mus, mennesker er idioter, når det kommer til at lugte intelligens (faktisk mus har omkring 2.000 ekstra gener til påvisning af lugt i forhold til mennesker). På samme måde, mantis rejer har 14 fotoreceptorer i forhold til vores tre, og så er de tilbøjelige til at have meget større visuel ‘intelligens’, end vi gør.”

Måske er det ting, som mennesker ikke altid forbinder med kløgt, som socialitet, der rent faktisk føre til intelligens, som vi forstår det. Og måske vil det tage foring alle disse hjerner op og leder efter mønstre at gøre, universelle regler om, hvordan de arbejder.

Et sådant projekt ville være en kæmpe opgave, som kræver, at neurologer i hele verden til at tage en standardiseret metode til at måle så mange oplysninger som muligt fra så mange hjerner som muligt. Bortset fra masse organisation og den utrolige mængde af hårde arbejde, vi har mange af de nødvendige teknikker der allerede—men, sagde Dölen, forskere måske ikke engang ved, hvad målinger er vigtige for at skabe sådan et bord. Måske ny viden fra udarbejdelsen af kataloget ville føre til en ny måling teknikker for mere specifikke neurale egenskaber. Måske kunne forskerne endda bruge genteknologi til at modificere hjerner for at afprøve hypoteser, der opstår fra bordet.

Og i en ideel verden, den tabel vil endda inkludere fremmede hjerner til at se, hvor universal disse regler kan få, sagde Dölen.

Hvis der virkelig er universelle reglerne for, hvordan hjerner udvikle sig og fungere, det vil tage mere end et par målinger af den menneskelige hjerne at regne dem ud. Det vil tage den største tabel, der nogensinde er samlet. Virkningen kan være ekstraordinære, fra revolutionerer AI til at helbrede hjernesygdomme. “Hvis vi havde regler, jeg kan ikke engang forestille mig, hvad spil, vi ville være i stand til at spille,” sagde Dölen.

Dele Denne Historie