Hur stor vetenskap misslyckades med att låsa upp den mänskliga hjärnans mysterier

Stora, dyra insatser för att kartlägga hjärnan startade för ett decennium sedan men har i stort sett misslyckats. Det är en bra påminnelse om hur komplext detta organ är.

Förbi

• Emily Mullin arkivsida

25 augusti 2021

Andrea Daquino

I september 2011 samlades en grupp neurovetare och nanoforskare på en pittoresk egendom på den engelska landsbygden för ett symposium som var tänkt att föra samman deras två områden.

Vid mötet lade Columbia Universitys neurobiolog Rafael Yuste och Harvard-genetikern George Church fram ett inte så blygsamt förslag: att kartlägga aktiviteten i hela den mänskliga hjärnan på nivån för enskilda neuroner och detaljera hur dessa celler bildar kretsar. Den kunskapen skulle kunna utnyttjas för att behandla hjärnsjukdomar som Alzheimers, autism, schizofreni, depression och traumatisk hjärnskada. Och det skulle hjälpa till att svara på en av vetenskapens stora frågor: Hur skapar hjärnan medvetande?

Den här historien var en del av vårt septembernummer 2021

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Yuste, Church och deras kollegor utarbetade ett förslag som senare skulle bli det publicerad i tidskriften Neuron . Deras ambition var extrem: en storskalig, internationell offentlig satsning, Brain Activity Map Project, som syftade till att rekonstruera hela rekordet av neurala aktiviteter över hela neurala kretsar. Liksom Human Genome Project ett decennium tidigare, skrev de, skulle hjärnprojektet leda till helt nya industrier och kommersiella satsningar.

Ny teknik skulle behövas för att uppnå det målet, och det var där nanoforskarna kom in. På den tiden kunde forskare registrera aktivitet från bara några hundra neuroner på en gång – men med omkring 86 miljarder neuroner i den mänskliga hjärnan liknade det tittar på en TV en pixel i taget, Yuste mindes 2017. Forskarna föreslog verktyg för att mäta varje spik från varje neuron i ett försök att förstå hur avfyrningen av dessa neuroner producerade komplexa tankar.

Det djärva förslaget fängslade Obama-administrationen och lade grunden för flerårsperioden Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN) Initiative , tillkännagav i april 2013. President Obama kallade det nästa stora amerikanska projekt.

Relaterad berättelse

Varför Obamas hjärnkartläggningsprojekt är viktigt Obama kräver 100 miljoner dollar för att utveckla ny teknik för att förstå hjärnan.

Men det var inte den första djärva hjärnsatsningen. Faktum är att några år tidigare, Henry Markram, en neuroforskare vid Federal Institute of Technology i Lausanne i Schweiz, hade satt upp ett ännu högre mål: att göra en datorsimulering av en levande mänsklig hjärna. Markram ville bygga en helt digital, tredimensionell modell med upplösningen av den individuella cellen, spåra alla dessa cellers många anslutningar. Vi kan göra det inom 10 år, skröt han under ett 2009 TED talk .

I januari 2013, några månader innan det amerikanska projektet tillkännagavs, tilldelade EU Markram 1,3 miljarder dollar för att bygga hans hjärnmodell. USA och EU-projekt utlöste liknande storskaliga forskningsinsatser i länder inklusive Japan, Australien, Kanada, Kina, Sydkorea och Israel. En ny era av neurovetenskap hade börjat.

En omöjlig dröm?

Ett decennium senare håller USA-projektet på att avvecklas och EU-projektet står inför sin deadline för att bygga en digital hjärna. Så hur gick det? Har vi börjat avslöja den mänskliga hjärnans hemligheter? Eller har vi spenderat ett decennium och miljarder dollar på att jaga en vision som förblir lika svårfångad som någonsin?

Från början hade båda projekten kritiker.

EU-forskare oroade sig över kostnaderna för Markram-programmet och trodde att det skulle pressa ut annan neurovetenskaplig forskning. Och även vid det ursprungliga mötet 2011 där Yuste och Church presenterade sin ambitiösa vision, hävdade många av deras kollegor att det helt enkelt inte var möjligt att kartlägga de komplexa avfyringarna av miljarder mänskliga nervceller. Andra sa att det var genomförbart men skulle kosta för mycket pengar och generera mer data än forskare skulle veta vad de skulle göra med.

I en blåsig artikel som publicerades i Scientific American 2013, Partha Mitra, en neuroforskare vid Cold Spring Harbor Laboratory, varnade för den irrationella överflöd bakom hjärnaktivitetskartan och ifrågasatte om dess övergripande mål var meningsfullt.

Relaterad berättelse

Neuroforskare protesterar mot Europas Human Brain Project Kritiker anser att betoningen på storskaliga datorsimuleringar i EU:s hjärnprojekt är för tidigt.

Även om det vore möjligt att registrera alla spikar från alla neuroner på en gång, hävdade han, existerar inte en hjärna isolerat: för att kunna koppla ihop prickarna på rätt sätt måste du samtidigt registrera externa stimuli som hjärnan utsätts för , såväl som organismens beteende. Och han resonerade att vi måste förstå hjärnan på en makroskopisk nivå innan vi försöker avkoda vad avfyringar av enskilda neuroner betyder.

Andra hade oro över effekterna av att centralisera kontrollen över dessa områden. Cornelia Bargmann, neuroforskare vid Rockefeller University, oroade sig för att det skulle tränga ut forskning som leds av enskilda utredare. (Bargmann anlitades snart för att medleda BRAIN Initiatives arbetsgrupp.)

Det finns inte en enda överenskommen teori om hur hjärnan fungerar, och inte alla inom området var överens om att att bygga en simulerad hjärna var det bästa sättet att studera den.

Medan det amerikanska initiativet sökte input från forskare för att vägleda dess riktning, var EU-projektet avgjort mer top-down, med Markram vid rodret. Men som Noah Hutton dokumenterar i sin film från 2020 In silico , Markrams stora planer klarnade snart upp. Som student som studerar neurovetenskap, hade Hutton fått i uppdrag att läsa Markrams papper och var imponerad av hans förslag att simulera den mänskliga hjärnan; när han började göra dokumentärfilmer bestämde han sig för att krönika insatsen. Han insåg dock snart att miljardföretaget kännetecknades mer av konflikter och skiftande mål än av banbrytande vetenskap.

In silico visar Markram som en karismatisk ledare som behövde göra djärva påståenden om neurovetenskapens framtid för att locka till sig finansiering för att genomföra sin speciella vision. Men projektet var redan från början besvärat av en stor fråga: det finns inte en enda överenskommen teori om hur hjärnan fungerar, och inte alla på området var överens om att att bygga en simulerad hjärna var det bästa sättet att studera den. Det tog inte lång tid innan dessa skillnader uppstod i EU-projektet.

Under 2014 skrev hundratals experter över hela Europa ett brev som citerade oro över tillsyn, finansieringsmekanismer och transparens i Human Brain Project . Forskarna ansåg att Markrams mål var för tidigt och för snävt och skulle utesluta finansiering för forskare som sökte andra sätt att studera hjärnan.

Det som slog mig var, om han var framgångsrik och slog på den och den simulerade hjärnan fungerade, vad har du lärt dig? Terry Sejnowski, en beräkningsneuroforskare vid Salk Institute som tjänstgjorde i den rådgivande kommittén för BRAIN Initiative, berättade för mig. Simuleringen är lika komplicerad som hjärnan.

Human Brain Projects styrelse röstade för att ändra dess organisation och ledarskap i början av 2015, och ersatte en verkställande kommitté med tre medlemmar under ledning av Markram med en styrelse med 22 medlemmar. Christoph Ebell, en schweizisk entreprenör med bakgrund inom vetenskapsdiplomati, utsågs till verkställande direktör. När jag tog över var projektet i en kristid, säger han. Folk undrade öppet om projektet skulle gå vidare.

Men några år senare var han också ute, efter en strategisk oenighet med projektets värdinstitution. Projektet är nu fokuserat på att tillhandahålla en ny beräkningsforskningsinfrastruktur för att hjälpa neuroforskare att lagra, bearbeta och analysera stora mängder data – osystematisk datainsamling har varit ett problem för fältet – och utveckla 3D-hjärnatlaser och programvara för att skapa simuleringar.

US BRAIN Initiative genomgick under tiden sina egna förändringar. Tidigt, 2014, för att svara på forskarnas oro och erkänna gränserna för vad som var möjligt, utvecklades det till något mer pragmatiskt, med fokus på utveckla teknik för att undersöka hjärnan.

Ny dag

Dessa förändringar har äntligen börjat ge resultat – även om de inte var de som grundarna av vart och ett av de stora hjärnprojekten ursprungligen hade tänkt sig.

Förra året släppte Human Brain Project en 3D digital karta som integrerar olika aspekter av den mänskliga hjärnans organisation på millimeter- och mikrometernivå. Det är i grunden en Google Earth för hjärnan.

Relaterad berättelse

En detaljerad 3D-atlas av en mänsklig hjärna Forskare har avbildat anatomin hos en hel mänsklig hjärna med oöverträffad upplösning.

Och tidigare i år rapporterade Alipasha Vaziri, en neuroforskare finansierad av BRAIN Initiative, och hans team vid Rockefeller University i en preprint-tidning att de samtidigt hade registrerat aktiviteten hos mer än en miljon neuroner över musbarken. Det är den största registreringen av djurs kortikal aktivitet som hittills gjorts, om än långt ifrån att lyssna på alla 86 miljarder neuroner i den mänskliga hjärnan som den ursprungliga hjärnaktivitetskartan hoppades.

Den amerikanska ansträngningen har också visat vissa framsteg i sitt försök att bygga nya verktyg för att studera hjärnan. Det har påskyndat utvecklingen av optogenetik, ett tillvägagångssätt som använder ljus för att kontrollera neuroner, och dess finansiering har lett till nya högdensitets kiselelektroder som kan spela in från hundratals neuroner samtidigt. Och det har utan tvekan påskyndat utvecklingen av encellssekvensering. I september kommer forskare som använder dessa framsteg att publicera en detaljerad klassificering av celltyper i musens och mänskliga motoriska cortex - den största enskilda produktionen från BRAIN Initiative hittills.

Även om dessa alla är viktiga steg framåt, är de långt ifrån de ursprungliga stora ambitionerna.

Varaktigt arv

Vi är nu på väg in i den sista fasen av dessa projekt – EU:s ansträngningar kommer att avslutas 2023, medan det amerikanska initiativet förväntas ha finansiering till 2026. Vad som händer under de kommande åren kommer att avgöra hur stor inverkan de kommer att ha på området neurovetenskap.

När jag frågade Ebell vad han ser som den största bedriften i Human Brain Project, nämnde han ingen vetenskaplig prestation. Istället pekade han på HJÄRNEN , en plattform som lanserades i april i år för att hjälpa neuroforskare att arbeta med neurologiska data, utföra modellering och simulera hjärnans funktion. Det erbjuder forskare ett brett utbud av data och kopplar samman många av de mest avancerade europeiska labbanläggningarna, superdatorcentra, kliniker och teknologinav i ett och samma system.

Om du frågar mig ’Är du nöjd med hur det blev?’ skulle jag tacka ja, sa Ebell. Har det lett till de genombrott som vissa har förväntat sig när det gäller att få en helt ny förståelse för hjärnan? Kanske inte.

Katrin Amunts, en neuroforskare vid universitetet i Düsseldorf, som har varit Human Brain Projects vetenskapliga forskningschef sedan 2016, säger att även om Markrams dröm om att simulera den mänskliga hjärnan inte har förverkligats än, så kommer den närmare. Vi kommer att använda de senaste tre åren för att få sådana simuleringar att hända, säger hon. Men det kommer inte att vara en stor, enskild modell – istället kommer flera simuleringsmetoder att behövas för att förstå hjärnan i all dess komplexitet.

Samtidigt har BRAIN Initiative gett mer än 900 anslag till forskare hittills, totalt cirka 2 miljarder dollar. National Institutes of Health beräknas spendera nästan 6 miljarder dollar på projektet när det avslutas.

För den sista fasen av BRAIN Initiative kommer forskare att försöka förstå hur hjärnkretsar fungerar genom att diagramma anslutna neuroner. Men anspråk på vad som kan uppnås är mycket mer återhållsamma än i projektets tidiga dagar. Forskarna inser nu att förståelsen av hjärnan kommer att vara en pågående uppgift - det är inte något som kan slutföras inom ett projekts deadline, även om det projektet uppfyller sina specifika mål.

Med ett helt nytt verktyg eller ett fantastiskt nytt mikroskop vet du när du har det. Om du pratar om att förstå hur en del av hjärnan fungerar eller hur hjärnan faktiskt gör en uppgift, är det mycket svårare att veta vad framgång är, säger Eve Marder, neuroforskare vid Brandeis University. Och framgång för en person skulle bara vara början på historien för en annan person.

Yuste och hans kollegor hade rätt i att det skulle behövas nya verktyg och tekniker för att studera hjärnan på ett mer meningsfullt sätt. Nu måste forskare ta reda på hur de ska användas. Men istället för att svara på frågan om medvetande, har utvecklingen av dessa metoder, om något, bara öppnat upp för fler frågor om hjärnan – och visat hur komplex den är.

Jag måste vara ärlig, säger Yuste. Vi hade högre förhoppningar.

Emily Mullin är en frilansjournalist baserad i Pittsburgh som fokuserar på bioteknik.

Dölj