Berättelsen om en studie av sinnet

Rebecca Saxe vill veta hur våra hjärnor lär sig att vara sociala.

Mer exakt har Saxe, docent i kognitiv neurovetenskap vid MIT:s hjärn- och kognitivvetenskapsavdelning, byggt sin karriär genom att försöka förstå hur vi gör bedömningar om andras tankar, en fakultet kallad Theory of Mind (ToM).

Våra hjärnor utför ToM-kognition för att dechiffrera vad som ligger bakom ett leende, en grimas, en fångst i någons röst. Som Saxe skriver är ToM den mekanism som människor använder för att sluta sig till och resonera om en annan persons sinnestillstånd. För att spåra ToM har hon varit tvungen att behärska konsten att använda funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI). fMRI-skannrar är besvärliga och svåra att använda väl – och deras resultat är utmanande att tolka. Men Saxe har blivit en virtuos av maskinen, med början när hon som postdoc kom att brottas med ett problem som hon säger fortfarande blåser henne.

Tidigt i utvecklingen, förklarar hon, verkar mänskliga hjärnor vara en samling neuroner som mycket liknar de som bildar hjärnan hos många andra varelser. Men då får vi förmågor som inte har några paralleller i djurriket. Hur? Vad händer i mogna hjärnor för att skapa det sinnesliv som utmärker oss som människor?

Det är en stor fråga, livets arbete. Men en närmare titt på bara ett av Saxes experiment antyder vad som krävs för att destillera mening från mätningarna – och ger en inblick i arbetslivet för en vetenskapsman på toppen av sitt spel.

Saxe, en 33-årig kanadensare, har brottats med hjärnor sedan 1990-talet, och började som student vid Oxford. Hon började fokusera på konceptet ToM i forskarskolan vid MIT, och arbetade i labbet hos Nancy Kanwisher ’80, PhD ’86, där hon identifierade hjärnsystemen som aktiveras när någon tänker på någon annans sinnestillstånd. Kognitiv neuroforskare Jon Simons från University of Cambridge, som är specialiserad på studiet av minne, säger att Saxe har designat genomtänkta experiment som gav intressanta och tillförlitliga data. Det är frestande att tro att stor vetenskap är dessa stora genombrott, säger han. [Men] det är så bra vetenskap görs. Det gör rigorösa studier i detalj som skapar resultat som håller.

Saxe tog ett viktigt steg 2005, när hon började fundera på om hon kunde studera barn så unga som fem år för att se hur ToM-systemet utvecklas över tiden. Vägspärren? Vid den tiden försökte väldigt få forskare i världen att sätta barn i en fMRI-maskin, vilket kräver att människor sitter stilla i 40 minuter eller mer. Men en sådan forskare var Kevin Pelphrey, då vid Duke University. Saxe skrev till honom i oktober 2005 – blind, säger hon – och föreslog ett experiment som skulle skanna barns hjärnor när de bearbetade berättelser centrerade på människors tankar. Jag sa till honom att jag skulle skriva experimentet och att du kan göra skanningarna på Duke, minns hon. Pelphrey, som Saxe klassar som en av de mest generösa kollaboratörerna, sa visst, kom ner – men i februari. Så Saxe hade bara veckor på sig att ta sin grodd till en idé och omvandla den till ett fungerande protokoll.

Jag och min pojkvän satt vid köksbordet, säger hon, och jag skrev små berättelser som hade folks tankar i sig. Hon skapade ett dussin berättelser och lade till teckningar som åtföljde dem. Ämnen skulle exponeras för tre segment per berättelse i 20 sekunder vardera: en beskrivning av en fysisk miljö, med en handritad bild för att illustrera det; en beskrivning av mänskliga karaktärer; och ett mentalt segment som erbjöd information om vad som pågick i deras sinnen. För att säkerställa att resultaten inte skulle påverkas av en individs reaktion på segmentens ordning, fick varje barn i studien höra samma historier, men med segmenten ordnade i olika ordningsföljder. Efter att ha lyssnat på varje berättelse fick barnen en ja-eller-nej-fråga som krävde att de skulle sluta sig till vad huvudpersonen skulle kunna göra härnäst. Sedan, efter en kort paus, började en annan berättelse, och så vidare, tills personen hade gått igenom hela protokollet med 12 separata berättelser, i skanningssessioner som varade i 40 minuter eller så.

Dagar efter att hon avslutat den experimentella designen gick Saxe till Duke. Den första försökspersonen, en tjej på cirka 10 år, anlände runt midmorgonen och teamet satte in henne i skannern. I kontrollrummet kunde Saxe se barnets två små fötter sticka ut ur munnen på maskinen. När skannern började ljuda sitt vanliga hum och klick-klick-klick var Saxe nervös. Väl medveten om att varje nytt experiment har flera vägar till misslyckande, visste hon att hon också stod inför en mer grundläggande risk. Vissa undersökningar hade föreslagit att barn yngre än fem redan kan dra slutsatser om ToM. Så det fanns en god chans att hon och hennes medarbetare inte skulle hitta något alls – ToM-regionerna i dessa barn kan se ut precis som de hos äldre människor.

Det värsta av allt, när hon gjorde sin första skanning, hade Saxe inget sätt att kontrollera om hon skulle hitta något av intresse. Även om fMRI-teknik populärt föreställs (eller fruktas) som en sorts sond som du kan använda för att helt enkelt läsa innehållet i människors tankar, är verkligheten mycket mindre dramatisk och mycket mer krävande av forskaren.

En del av problemen är rent tekniska. fMRI-maskiner mäter hjärnaktivitet endast indirekt. När nervceller eldar suger de in syre för att förbereda sig för att elda igen. Det framkallar ett behov av mer syre – levererat med blod. När en del av hjärnan kräver mer bränsle, ändras det lokala förhållandet mellan syresatt och syrefattigt blod med en bråkdel. Syresatt blod har andra magnetiska egenskaper än den syrefattiga versionen, och fMRI-maskiner mäter de resulterande små förändringarna i lokala magnetfält.

Men det är ingen dum bedrift. Hjärnan förskjuts något i skallen för varje andetag och hjärtslag, och människor – särskilt barn! – ligger inte helt stilla i en timme. Vi har en vickande, pulserande, vicklande maskin som förbrukar enorma mängder syre av många anledningar, utöver det försöker vi mäta en liten signal, säger Saxe. Sedan finns det timingproblemet: neural aktivering tar bråkdelar av en sekund, men förändringar i blodets syrenivåer inträffar under sex sekunder eller mer - och nivåerna återgår inte alltid till samma basnummer, vilket ökar röran. Därför, säger Saxe, gör vi rörelsekorrigering. Vi gör rumslig utjämning för att få bort en del av bruset. Vi filtrerar temporärt allt som händer under 10 minuter eller längre - tidsskalan där artefakter som att skannern värms upp skulle dyka upp i data. Det tar timmar av analys att hitta en signal – allt bara för att börja ta reda på vad en mätning kan betyda.

Sen på morgonen avslutade det första barnet sina berättelser, och sedan upprepade teamet sekvensen med det andra och sista ämnet för dagen, en nioårig pojke. När han klättrade ner från skannern, planerade de flesta i gruppen att ge sig ut på middag.

Saxe stannade kvar. Nu började experimentets böjnings-labor-fas: omvandling av de råa siffrorna från skanningen till en form som kunde analyseras. Timmarna gick. Saxes kollegor åt och kom tillbaka. Hon satt kvar vid datorn. Sen på kvällen hade hon slutfört förstapasset. Rörelseartefakter – borta; maskinbuller—under kontroll; bildruta efter bildruta matchade prompten till neural handling.

Det hon såg tillät Saxe att andas ut: hon hade data. Teamet hade visat att det är möjligt att få användbara resultat från barn som de flesta forskare ansåg var för pirriga för att avbilda. Viktigare, när de samlade in skanningar från försökspersoner så unga som sex, hittade Saxe och Pelphrey något nytt. De äldre barnen såg ganska mycket ut som vuxna, säger Saxe. Deras ToM-regioner lyste upp när de hörde ett avsnitt som tvingade dem att tänka på vad någon annan tänkte men inte under de delar av berättelserna som bara beskrev någon som gjorde något. Men de små barnens skanningar var annorlunda. Deras hjärnregioner svarade på vad som helst om människor - inte bara anekdoter om människors mentala tillstånd utan allt med människor närvarande.

Det finns flera sätt att förklara det resultatet, men Saxe föredrar vad hon kallar en galen idé: att hjärnan börjar med en allmän förmåga att tänka på social interaktion, och sedan specialiserar sig. Hennes team började inse att när vi växer upp, tappar våra hjärnregioner vissa jobb för att bli experter på andra.

Detta påstående är fortfarande preliminärt, men efterföljande arbete i Saxes labb och på andra håll har stärkt det. Nu, säger Saxe, tror vi att vi har ett utvecklingsmönster. Nu vill vi veta hur och varför denna utveckling sker och vad som kan få den att förändras. För att ta reda på det genomför hennes labb studier på olika vägar till ToM-specialisering. En tittar på barn inom autismspektrumet; en annan är att undersöka blinda barn, som engagerar andras tankar genom hörsel snarare än syn; och en tredje utreder döva barn, av vilka några utsätts för språk relativt sent om deras föräldrar inte vet hur de ska skriva under. Ingen har ännu gett definitiva resultat.

Saxe är inte längre en footloose postdoc. Hon leder ett labb nu, och hon är fortfarande inte van vid allt som krävs för att göra vetenskap i allt större skala. Mer än ett dussin forskare är involverade i bara en av de nya studierna, säger hon. Det finns en anmärkning av förundran - misstro, verkligen - som hon tillägger: Förr i tiden var det bara jag som ritade på mitt bord. Nu behöver vi en person på 100 procent tid bara för att spåra det projektet.

Ändå, när hon säger det, flinar hon. Hon och hennes kollegor publicerade resultaten av Duke-studien 2009, men det finns något som inte kom fram på sidan - en aspekt av vetenskapen som inte kan fångas i någon affektlös sammanställning av data. Den där natten i North Carolina, det första ögonblicket då det fungerade? hon säger. Det var spännande.

En exempelberättelse från barnens ToM-experiment

Fysiskt segment:
Ute bakom den stora röda ladugården i kanten av valnötslunden ligger traktens mest magnifika damm. Den är bred och djup och skuggas av en gammal ek. Det finns alla möjliga saker i den dammen: fiskar och gamla skor och borttappade leksaker och trehjulingar och många andra överraskningar.

Personsegment:
Gamle Mr McFeeglebee är en grå skrynklig gammal bonde, som bär grå skrynkliga gamla overaller och grå skrynkliga gamla stövlar. Han har bott på denna mark hela sitt liv, längre till och med än de flesta träden. Lilla Georgie är Mr. McFeeglebees brorson från stan.

Mentalt segment:
Mr McFeeglebee vill inte att några små pojkar ska fiska i dammen. Men lilla Georgie låtsas inte lägga märke till det. Han gillar att fiska så mycket, och dessutom vet han att han kan springa snabbare än någon annan i stan. Georgie bestämmer sig för att springa iväg riktigt fort om Mr McFeeglebee ser honom fiska.

Fråga:
Vad tror du? Fiskar lilla Georgie i dammen? [paus] Bra jobbat! Dags för nästa berättelse!

Dölj