Wenn Wissenschaftler das Gehirn herausfinden können, hilft es dann, alle Krankheiten zu heilen, Gefühle zu verwalten, Erinnerungen zu kontrollieren und Ideen wie ein Computer zu generieren?
Der Neurowissenschaftler Ed Boyden sprach über die Perspektiven der Gehirnforschung, was eine Person erreichen kann, wenn sie lernt, Neuronen zu kontrollieren, und warum fehlgeschlagenen Projekten eine zweite oder sogar dritte Chance gegeben werden sollte. Theorie und Praxis veröffentlicht eine Übersetzung des Interviews.
„Ständig neue Ideen generieren. Lies es nicht ohne nachzudenken. Kommentieren, formulieren, reflektieren und verallgemeinern Sie, auch wenn Sie das Vorwort lesen. Sie werden sich also immer bemühen, die Essenz der Dinge zu verstehen, die für die Kreativität erforderlich ist."
Ed Boyden schrieb einmal einen kurzen Lehraufsatz "How to Think", und der obige Absatz wurde zu seiner Regel Nummer 1. Er war 28 Jahre alt, gründete eine eigene Forschungsgruppe für Neurowissenschaften am MIT und hat bereits einige seiner Forschungsergebnisse veröffentlicht, die brachte ihm den prestigeträchtigen Brain Prize ein, weil er dazu beigetragen hat, "den wohl wichtigsten technischen Durchbruch seit 40 Jahren" zu erzielen, sagte der Vorsitzende der Jury. Es war vor fast zehn Jahren. Sein Ideengenerierungssystem scheint die Erwartungen erfüllt zu haben. Boyden erhielt im vergangenen Jahr einen Durchbruchspreis in Höhe von 3 Millionen US-Dollar. Er und seine Kollegen entdeckten eine neue Methode zur Beobachtung eines fast unvorstellbar kleinen Stromkreises im Gehirn. Dies hat einige der genauesten Bilder des Gehirns hervorgebracht.
- Sie sagen oft, dass Ihr Ziel darin besteht, "das Gehirn zu entwirren". Was meinen Sie?
- Ich denke, die Bedeutung dieses Satzes wird sich ändern, wenn neues Wissen gewonnen wird, aber jetzt bedeutet „das Gehirn entwirren“für mich, dass wir erstens Prozesse simulieren können (höchstwahrscheinlich mit einem Computer), die so etwas wie Gedanken erzeugen und Gefühle, und zweitens, dass wir verstehen können, wie man Hirnstörungen wie Alzheimer oder Epilepsie behandelt. Dies sind zwei Ziele, die mich vorwärts bringen. Einer konzentriert sich auf das Verständnis der menschlichen Natur, der andere ist medizinischer.
Sie können mit mir streiten, indem Sie feststellen, dass es eine dritte Frage gibt: Was ist Bewusstsein? Warum haben wir Erinnerungen, Flaschen, Stifte und Tische jedoch, soweit wir wissen, nicht? Ich befürchte, dass wir noch keine genaue Definition des Bewusstseins haben, daher ist dieses Problem schwer zu lösen. Wir haben kein "Maß des Bewusstseins", das anzeigen würde, wie bewusst etwas ist. Ich denke, wir werden eines Tages dazu kommen, aber mittelfristig möchte ich mich auf die ersten beiden Fragen konzentrieren.
„Warum wissen wir so viel über die Welt? Es ist ziemlich seltsam, dass wir das Gesetz der universellen Gravitation oder der Quantenmechanik verstehen können."
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Als Sie 2016 den Breakthrough Prize gewonnen haben, haben Sie über Ihre laufenden Bemühungen in der Gehirnforschung gesprochen: „Wenn wir Erfolg haben, können wir Fragen wie„ Wer bin ich? Was ist meine Persönlichkeit? Was soll ich machen? Warum bin ich hier?". Wie kann uns die Forschung helfen, die Frage "Wer bin ich?" Zu beantworten.
- Ich gebe Ihnen ein Beispiel. Als die Wirtschaftskrise 2008 eintraf, sprach ich mit vielen darüber, warum Menschen das tun, was sie tun. Warum sind viele unserer Entscheidungen nicht die besten Entscheidungen, die wir treffen können? Natürlich gibt es ein ganzes Gebiet der Wissenschaft - die Verhaltensökonomie, die versucht, unser Handeln auf psychologischer und kognitiver Ebene zu erklären. Wenn Sie beispielsweise einer Person viele Fragen stellen und sie dann an einer Schüssel mit Süßigkeiten vorbeigeht, wird sie wahrscheinlich einige nehmen, weil sie die Antworten satt hat und nicht widerstehen kann.
Die Verhaltensökonomie kann einige Dinge erklären, aber sie kann nicht die Prozesse erklären, die der Entscheidungsfindung zugrunde liegen, und noch weniger einige unbewusste Momente, die wir überhaupt nicht kontrollieren können. Beachten Sie, dass wenn wir uns etwas bewusst sind, es oft das Ergebnis unbewusster Prozesse ist, die unmittelbar davor stattgefunden haben. Wenn wir also verstehen würden, wie Gehirnzellen in einem Schaltkreis organisiert sind (praktisch ein Computer-Schaltkreis, wenn Sie so wollen) und sehen würden, wie Informationen durch diese Netzwerke und Veränderungen fließen, hätten wir eine viel klarere Vorstellung davon, warum unser Gehirn akzeptiert bestimmte Lösungen. Wenn wir das verstehen, können wir vielleicht einige der Einschränkungen überwinden und zumindest verstehen, warum wir das tun, was wir tun.
Sie können sich vorstellen, dass wir in sehr ferner Zukunft (es wird wahrscheinlich viele Jahrzehnte dauern) wirklich schwierige Fragen stellen können, warum wir auf die eine oder andere Weise mit bestimmten Dingen in Beziehung stehen oder warum wir auf bestimmte Weise über uns selbst denken - Fragen, die in uns liegen das Sichtfeld der Psychologie, Philosophie, auf das es aber so schwierig ist, mit Hilfe der Gesetze der Physik eine Antwort zu bekommen.
- Wie hilft die Gehirnforschung bei der Beantwortung der Frage "Warum bin ich hier?"
- Einer der Gründe, warum ich von der Physik zum Studium des Gehirns gewechselt bin, war die Frage "Warum wissen wir so viel über die Welt?" Es ist seltsam genug, dass wir das Gesetz der Schwerkraft verstehen können oder dass wir die Quantenmechanik verstehen - zumindest in dem Maße, wie Computer hergestellt werden können. Es ist erstaunlich, dass die Welt irgendwie verständlich ist.
Und ich stellte mir eine Frage: Wenn unser Gehirn einen Teil der Struktur des Universums versteht, aber nicht alles andere versteht und alles, was es versteht, dank der Gesetze der Physik verfügbar ist, auf denen auch die Arbeit unseres Gehirns basiert, dann stellt sich heraus, dass es sich um einen Teufelskreis handelt, oder? Und ich versuche herauszufinden: wie man es bricht? Wie kann man das Universum verständlich machen? Angenommen, wir verstehen nichts über das Universum, aber wenn wir wissen, wie der menschliche Geist funktioniert und welche Denkfähigkeiten uns fehlen, können wir vielleicht eine fortgeschrittenere künstliche Intelligenz schaffen, die dazu beiträgt, unsere Denkfähigkeit zu stärken.
Dieses Konzept nenne ich manchmal einen "Gehirn-Coprozessor" - etwas, das mit dem Gehirn zusammenarbeitet und unser Verständnis erweitert.
Wir haben noch viele Fragen an das Universum, oder? Einstein versuchte einen Zusammenhang zwischen Quantenmechanik und Schwerkraft zu finden, aber dies gelang ihm nicht, und bis heute ist nicht ganz klar, wie dieses Dilemma gelöst werden kann. Vielleicht müssen wir unsere intellektuellen Fähigkeiten verbessern, um einige Dinge zu verstehen. Was passiert, wenn wir sie erweitern? Natürlich gibt es keine Garantien. Aber vielleicht erfahren wir mehr über den Ursprung des Universums, darüber, welche Kräfte es zu Beginn der Existenz beeinflusst haben und welche jetzt beeinflussen.
- Die letzte Frage zu diesem Thema. Wie hilft die Gehirnforschung bei der Beantwortung der Frage "Was ist meine Persönlichkeit?"
„Im Moment versuchen wir, die Struktur des Gehirns abzubilden. Es ist ziemlich schwierig, etwas darin zu sehen. Das Gehirn selbst ist groß genug - ein Mensch wiegt mehrere Pfund -, aber die Verbindungen zwischen Neuronen, die als Synapsen bekannt sind, sind winzig. Hier geht es um Nanoskala. Wenn Sie also sehen möchten, wie Gehirnzellen in einem Netzwerk verbunden sind, müssen Sie Synapsen berücksichtigen. Wie kann ich das machen? Wir haben eine spezielle Technik entwickelt. Wir nehmen ein Stück Hirngewebe und injizieren eine Chemikalie hinein, genauer gesagt ein Polymer, das der Substanz in Babywindeln in gewisser Weise sehr ähnlich ist. Es ist ein Polymer, das bei Zugabe von Flüssigkeit quillt.
Wenn wir es in das Gehirn legen und Wasser hinzufügen, können wir die Moleküle, aus denen das Gehirn besteht, auseinander bewegen und dann die winzigen Verbindungen zwischen den Zellen erkennen. Wir begründen also: Wenn wir ein sehr kleines Gehirn nehmen, zum Beispiel einen Fisch oder einen Wurm, können wir es dann vollständig untersuchen? Werden wir in der Lage sein, das gesamte Nervensystem mit der Genauigkeit einzelner Springer darzustellen? Nun ist dies auf der Ebene einer Idee, es gibt noch keine notwendigen Technologien für die Implementierung, aber wenn es uns gelingen würde, den technischen Teil zu verbessern, wäre es möglich, eine ausreichend detaillierte Karte der Verbindungen im Gehirn zu erstellen, nach der sie wirklich mit Hilfe eines Computers reproduziert werden kann. Und wird diese Kopie genauso funktionieren wie das Gehirn des Organismus, das zur Hauptquelle wurde?
Stellen Sie sich vor, wir hätten einen Wurm mit 302 Neuronen und hätten ungefähr 6.000 Verbindungen zwischen ihnen sowie Moleküle an den Verbindungsstellen festgestellt. Ist es möglich, die Aktionen dieses Wurms zu simulieren? Dann ist es vielleicht möglich, dasselbe mit einem Fisch, dann mit einer Maus und dann mit einem menschlichen Gehirn zu tun - jedes dieser Gehirne ist ungefähr tausendmal größer als das vorherige. Wenn Sie das menschliche Gehirn abbilden könnten, würde sich sofort die Frage stellen: Wenn Sie seine Aktivität auf einem Computer reproduzieren würden, wären Sie es immer noch? Wie bereits erwähnt, haben wir keine genaue oder zumindest funktionierende Definition des Bewusstseins. Obwohl wir diese Qualität nicht einfach anhand eines Blicks beurteilen können, können wir noch keine Antwort geben, würde ich sagen. Dies wirft jedoch eine interessante Frage nach der Natur der Persönlichkeit auf.
"Wenn wir verstehen würden, wie Gehirnzellen in Schaltkreisen organisiert sind, und sehen würden, wie Informationen durch diese Netzwerke fließen, könnten wir vielleicht verstehen, warum wir das tun, was wir tun."
- Vor ungefähr einem Jahrzehnt haben Sie einen Aufsatz "How to Think" geschrieben. Haben Sie seitdem Änderungen oder Ergänzungen zu diesen Regeln vorgenommen?
„Ich habe diesen Aufsatz ziemlich schnell geschrieben, als wir das Forschungsteam am MIT gegründet haben und die meiste Zeit in einem leeren Raum verbracht haben, um auf das Eintreffen der Ausrüstung zu warten. Seitdem habe ich durch Erfahrung gelernt, wie man diese Regeln am besten befolgt. In Regel 3 heißt es beispielsweise: "Arbeiten Sie von Ihrem Ziel aus rückwärts."
Von diesem Moment an wurde mir klar, dass es für Sie sehr einfach sein wird, zusammenzuarbeiten, wenn Sie ausgehend von einem Problem arbeiten, das gelöst werden muss, und Leute treffen, die über einige Fähigkeiten verfügen und von ihren Fähigkeiten ausgehen daran interessiert. Qualifikationsinhaber wollen mehr Einfluss und Problemlösung, und Zielsetzer wollen neue Werkzeuge, um diese Probleme zu lösen. Daher führt Regel 3 "Rückwärts arbeiten, ausgehend von Ihrem Ziel" natürlich zu Regel 6 - "Zusammenarbeiten". Ich habe auch gelernt, die Natur von Problemen zu analysieren. Dieses Jahr hielt ich einen kurzen Vortrag auf dem Weltwirtschaftsforum in Davos. Es hieß Vorbereitung einer Revolution und es ging darum zu lernen, tiefer in Probleme einzutauchen und mögliche Lösungen zu finden. Es war so etwas wie How to Think 2.0, aber in Form eines Videos.
- Welche Bücher haben Ihre intellektuelle Entwicklung am meisten beeinflusst?
- Einer von ihnen ist "Time, Love, Memory" von Jonathan Weiner. Sie spricht über die Zeiten, als Menschen begannen, Gene mit Verhaltensmerkmalen zu assoziieren. Der Autor beginnt mit dem Beginn der Ära der Genetik - als Menschen entdeckten, dass Röntgenstrahlen Gene verändern - und endet mit der Moderne, wenn Wissenschaftler herausfinden, welche Gene beispielsweise für unser Zeitgefühl oder die Fähigkeit zur Erinnerung verantwortlich sind. Ich liebe dieses Buch, weil es Wissenschaft in Bewegung zeigt - nicht wie ein Lehrbuch, „Sie haben Fakten sieben bis achtundvierzig, erinnern Sie sich an sie“- es zeigt Menschen, die unter Unsicherheit leiden und alle Arten von Schwierigkeiten überwinden, und es ist sehr aufregend. Ich habe es jedes Jahr neu gelesen und es hat mich sehr beeinflusst.
Das zweite Buch heißt Thinking About Science. Sie spricht über Max Delbrück, einen Physiker, der auch sein Tätigkeitsfeld auf Biologie umgestellt hat. Er leistete einen großen Beitrag zur Entdeckung der Struktur von Genen und half, eine neue Ära in der Molekularbiologie einzuleiten. Das Buch erzählt viel über seine Ansichten, darüber, wie er über seinen Übergang von der Physik zur Biologie nachdachte. Dieses Buch hat auch mein Leben stark beeinflusst, weil ich oft darüber nachdenke, wie man komplexe Systeme wie das Gehirn erforscht, wie man den tatsächlichen Zustand herausfindet, wie man die Annäherung loswird und nicht auf halbem Weg stehen bleibt.
- Sie haben erwähnt, dass Sie sich ständig Notizen machen. Was ist das für ein System?
- Wenn ich mit jemandem spreche, lege ich Papier auf den Tisch und fasse das Gespräch zusammen. Am Ende mache ich Fotos von den Notizen auf meinem Handy und gebe das Blatt meinem Gesprächspartner. Jeden Monat gehe ich all diese Synopsen durch und beschrifte sie mit Schlüsselwörtern. Dafür gibt es zwei Gründe. Erstens, da ich das Gespräch neu verdaut habe, hilft es mir, mich daran zu erinnern. Zweitens ist es leicht zu finden, da ich die Schlüsselwörter ausgewählt habe. Bisher habe ich bereits Zehntausende solcher Notizen fertiggestellt.
- Ihre Arbeit legt nahe, dass Sie viel Zeit mit Nachdenken verbringen. Wie kann man maximale Ergebnisse erzielen?
- Es gibt drei Punkte, von pragmatisch bis abstrakt. Ich bin schon sehr früh aufgestanden. Ich versuche um 4-5 Uhr morgens aufzustehen, viel früher als andere Labormitarbeiter. Dank dessen habe ich ein paar Stunden Ruhe, um nachzudenken und mich von nichts ablenken zu lassen. Ich denke das ist wichtig. Zweitens sind viele gute Ideen tatsächlich schlecht, denn da sie sofort so gut klingen, haben alle bereits darüber nachgedacht und bemühen sich, sie umzusetzen. Deshalb denke ich oft an Dinge, die auf den ersten Blick wie schlechte Ideen erscheinen, aber plötzlich, wenn man sie aus dem richtigen Winkel betrachtet, erweisen sie sich als gut? Ich verbringe viel Zeit damit, Ideen aus verschiedenen Blickwinkeln zu betrachten.
Vor Jahrzehnten hat der Astronom Fritz Zwicky viele Theorien aufgestellt, die heute zu den brennendsten in der Astrophysik gehören. Die relevantesten der aktuellen Ideen, wie die Dunkle Materie, brachte er in den 1930er Jahren vor. Wie hat Zwicky das gemacht? Er hat nur alle möglichen Optionen in Betracht gezogen. Zwicky nannte seine Methode "morphologische Analyse", aber es scheint mir, dass dies unmöglich auszusprechen ist, deshalb nenne ich es "Mosaikbaumschema".
Schließlich - und dieser Punkt ist noch abstrakter - glaube ich an zufällige Entdeckungen. Ich verbringe viel Zeit damit, Transkripte alter Gespräche durchzusehen. Viele von ihnen handeln von Ideen, die gescheitert sind, Projekte sind gescheitert. Aber weißt du was? Das war vor fünf Jahren, und jetzt arbeiten Computer schneller, neue Informationen sind erschienen, die Welt hat sich verändert. Daher können wir das Projekt neu starten. Viele unserer Bemühungen werden erst beim zweiten oder dritten Versuch vollständig erfolgreich. Ein wichtiger Teil meiner Arbeit besteht darin, mich an Fehler zu erinnern und fehlgeschlagene Projekte zu starten, wenn es soweit ist.
- Sie haben Ihre Hauptpreise für Forschung in der Optogenetik erhalten. Warum ist sie so eine wichtige Leistung geworden?
„Wenn Sie über Optogenetik sprechen, müssen wir uns daran erinnern, dass„ Opto “„ Licht “bedeutet und„ Genetik “bedeutet, dass wir Gene verwenden, die die ganze Arbeit erledigen. Sie führen ein Gen ein, das wie eine kleine Solarzelle funktioniert - im Wesentlichen ein Molekül, das Licht in Elektrizität umwandelt. Wenn Sie es in ein Neuron einführen und Licht darauf richten, können Sie daher die Aktivität des Neurons steuern.
Warum ist es wichtig? In den letzten hundert Jahren des Studiums der Neurologie haben viele Menschen versucht, Neuronen mit allen möglichen Technologien zu kontrollieren: Pharmakologie (Medikamente), elektrische Impulse und so weiter. Aber keiner von ihnen garantiert Genauigkeit. Mit der Optogenetik können wir Licht auf eine einzelne Zelle oder mehrere Zellen richten und diese bestimmten Zellen „ein-“oder „ausschalten“. Warum ist das so wichtig? Wenn Sie Zellen aktivieren können, können Sie herausfinden, wofür sie verantwortlich sind. Vielleicht für ein Gefühl oder eine Entscheidung oder eine Bewegung. Wenn Sie sie "ausschalten", verstehen Sie, was ihre Funktion ist: Vielleicht "schalten" Sie bestimmte Zellen aus, und eine Person verliert eine Art Gedächtnis.
- Die Optogenetik wird heute in Laboratorien auf der ganzen Welt für die Hirnforschung eingesetzt. Was sind die vielversprechendsten Bereiche im Zusammenhang damit?
- Einige Forscher führen Experimente durch, die aus philosophischer Sicht ziemlich herausfordernd sind. Zum Beispiel entdeckte eine Gruppe von Wissenschaftlern am California Institute of Technology eine kleine Ansammlung von Zellen tief im Gehirn. Wenn Sie sie mit Hilfe von Licht aktivieren, zum Beispiel bei Mäusen (viele arbeiten mit ihnen), werden die Tiere aggressiv, sogar grausam. Sie greifen jede Kreatur oder jedes Objekt in unmittelbarer Nähe an, sogar einige zufällige Dinge wie einen Handschuh. Das ist sehr interessant, denn jetzt können Sie Fragen aus der Serie „Was passiert, wenn Sie diese Zellen reizen? Sendet dies einen Motorbefehl an die Muskeln? Mit anderen Worten, bewegt sich die Maus, um anzugreifen? Oder ist es ein sensorischer Befehl?
Das heißt, die Maus hat Angst und greift zur Selbstverteidigung an? Sie können wirklich wichtige Fragen zur Bedeutung des Experiments stellen, wenn ein Teil des Gehirns eine komplexe Reaktion wie Aggression oder Grausamkeit auslöst.
Es gibt eine Reihe von Forschern, die daran arbeiten, neuronale Aktivitäten in verschiedenen Teilen des Gehirns für medizinische Zwecke zu aktivieren oder zum Schweigen zu bringen. Zum Beispiel eine Gruppe von Wissenschaftlern, die bei Mäusen mit Epilepsie gezeigt hat, dass man Anfälle "ausschalten" kann, indem man auf bestimmte Zellen einwirkt. Es gibt andere Gruppen, die Mäuse mit Parkinson-Krankheit untersucht haben und in der Lage waren, Tiere von den Symptomen der Krankheit zu befreien.
Wissenschaftler entdecken auch viele interessante Dinge in den Grundlagenwissenschaften. Meine MIT-Kollegin Suzumi Tonegawa und sein Forschungsteam haben etwas sehr Kluges getan: Sie haben die Mäuse so programmiert, dass die für das Gedächtnis verantwortlichen Neuronen durch Licht aktiviert werden. Sie fanden heraus, dass sich die Maus so verhält, als würde sie eine Erinnerung wiedererleben, wenn Sie diese Neuronen mit einem Lichtimpuls reaktivieren. Auf diese Weise ist es möglich, die Gruppen von Zellen zu identifizieren, die den Speicher im Speicher anzeigen lassen. Seitdem haben Forscher alle möglichen Experimente durchgeführt - zum Beispiel können sie ein glückliches Gedächtnis aktivieren, und eine Maus fühlt sich besser, auch wenn sie krank ist. Und die Liste geht weiter und weiter.
"Viele unserer Bemühungen werden erst beim zweiten oder dritten Versuch recht erfolgreich."
- Haben Sie neue Gedanken darüber, wie Sie das Leben verbessern können?
„Mir wurde klar, dass ich als Unternehmer einen Beitrag leisten muss, wenn ich wirklich möchte, dass Gehirntechnologien auf der ganzen Welt angewendet werden, dh ein Unternehmen gründen und diesen Erfindungen helfen, über die akademischen Kreise hinauszugehen. Mein Labor hat bereits mit verschiedenen Unternehmen zusammengearbeitet, aber dieses Jahr bin ich selbst am Start von drei beteiligt. Hoffentlich können wir herausfinden, wie diese Technologien Menschen helfen können. Mir wurde klar, dass ich nicht nur wissenschaftliche Arbeiten veröffentlichen wollte; Ich möchte, dass diese Technologien im wirklichen Leben eingesetzt werden.
„Eines dieser Unternehmen befasst sich mit der Technologie zur Stärkung des Gehirns, nicht wahr?
-Genau. Wir haben eine kleine Firma namens Expansion Technologies gegründet, um die Welt über diese Empowerment-Theorien aufzuklären. Natürlich können die Menschen unsere Veröffentlichungen zu diesem Thema unabhängig studieren, aber wenn wir unsere Ideen in die breite Masse bringen können, sind viele wissenschaftliche und medizinische Probleme viel einfacher zu lösen.
Ich muss sofort sagen, dass alle Forschungsdaten online gefunden werden können, wir teilen offen alle Informationen. Wir haben über hundert Forschergruppen ausgebildet. Auf Wunsch kann jeder selbst eine ähnliche mikroskopische Untersuchung durchführen. Im Gegensatz zur Optogenetik, bei der Sie sich jederzeit an eine gemeinnützige Organisation wenden können, um DNA kostenlos oder gegen Geld zu erhalten, erfordert diese Forschung die Verfügbarkeit von Chemikalien. Ein Unternehmen, das Kits mit den erforderlichen Reagenzien für jedermann verfügbar macht, spart also Zeit.
Wir versuchen nur immer, die positiven Auswirkungen auf die Welt zu erhöhen. Wir beginnen ein Projekt oft mit dem Gedanken: "Unter welchem Problem leiden Tausende von Forschern, Unternehmen und Universitäten?" Und dann versuchen wir, ein Werkzeug zu erstellen, das ihnen helfen könnte. Wenn es uns also gelingt, macht es (praktisch per Definition) keinen Sinn, es geheim und für uns selbst zu halten. Wir versuchen nur, unsere Tools mit so vielen Menschen wie möglich zu teilen.
