211service.com
Knäcka hjärnans koder
Hur talar hjärnan till sig själv? 17 juni 2014
I Vad är livet? (1944) var en av de grundläggande frågorna fysikern Erwin Schrödinger ställde om det fanns någon form av ärftligt kodskript inbäddat i kromosomerna. Ett decennium senare svarade Crick och Watson jakande på Schrödingers fråga. Genetisk information lagrades i det enkla arrangemanget av nukleotider längs långa DNA-strängar.
Frågan var vad alla dessa DNA-strängar betydde. Som de flesta skolbarn nu vet fanns det en kod inom: intilliggande trios av nukleotider, så kallade kodoner, transkriberas från DNA till övergående sekvenser av RNA-molekyler, som översätts till de långa kedjor av aminosyror som vi känner till som proteiner. Att knäcka den koden visade sig vara en grundbult i praktiskt taget allt som följde inom molekylärbiologin. Som det händer visade sig koden för att översätta trios av nukleotider till aminosyror (till exempel nukleotiderna AAG kodar för aminosyran lysin) vara universell; celler i alla organismer, stora som små – bakterier, jättesequoia, hundar och människor – använder samma kod med mindre variationer. Kommer neurovetenskap någonsin att upptäcka något av liknande skönhet och kraft, en mästarkod som låter oss tolka alla mönster av neural aktivitet efter behag?
Den här berättelsen var en del av vårt julinummer 2014
- Se resten av frågan
- Prenumerera
På spel står praktiskt taget alla radikala framsteg inom neurovetenskap som vi kanske kan föreställa oss – hjärnimplantat som förbättrar våra minnen eller behandlar psykiska störningar som schizofreni och depression, till exempel, och neuroproteser som gör att förlamade patienter kan röra sina lemmar. Eftersom allt som du tänker, minns och känner är kodat i din hjärna på något sätt, kommer att dechiffrera hjärnans aktivitet vara ett stort steg mot framtidens neuroteknik.
En dag kommer elektronik som implanteras direkt i hjärnan att göra det möjligt för patienter med ryggmärgsskada att kringgå de drabbade nerverna och styra robotar med sina tankar (se Tankeexperimentet ). Framtida biofeedback-system kanske till och med kan förutse tecken på psykisk störning och avvärja dem. Där människor i nuet använder tangentbord och pekskärmar, kan våra ättlingar om hundra år använda direkta hjärn-maskin-gränssnitt.
Men för att göra det – för att bygga mjukvara som kan kommunicera direkt med hjärnan – måste vi knäcka dess koder. Vi måste lära oss att titta på uppsättningar av neuroner, mäta hur de skjuter och omvända deras budskap.
Ett kaos av koder
Vi börjar redan upptäcka ledtrådar om hur hjärnans kodning fungerar. Kanske det mest grundläggande: förutom i några av de minsta varelserna, som spolmasken C. elegans , den grundläggande enheten för neuronal kommunikation och kodning är spiken (eller aktionspotentialen), en elektrisk impuls på ungefär en tiondels volt som varar i lite mindre än en millisekund. I det visuella systemet, till exempel, omvandlas ljusstrålar som kommer in i näthinnan omedelbart till spikar som skickas ut på synnerven, bunten av cirka en miljon utgående ledningar, kallade axoner, som går från ögat till resten av hjärnan. Bokstavligen allt du ser är baserat på dessa spikar, varje näthinneneuron avfyras i olika takt, beroende på typ av stimulans, för att ge flera megabyte visuell information per sekund. Hjärnan som helhet, under hela vårt vakna liv, är en veritabel symfoni av neurala spikar - kanske en biljon per sekund. Att dechiffrera hjärnan är till stor del att sluta sig till innebörden av dess spikar.
Men utmaningen är att spikar betyder olika saker i olika sammanhang. Det är redan klart att neuroforskare sannolikt inte kommer att ha lika tur som molekylärbiologer. Medan koden som omvandlar nukleotider till aminosyror är nästan universell och används på i huvudsak samma sätt i hela kroppen och i hela den naturliga världen, kommer spik-till-informationskoden sannolikt att vara en sammansmältning: inte bara en kod utan många, som inte skiljer sig åt. endast till viss del mellan olika arter men även mellan olika delar av hjärnan. Hjärnan har många funktioner, från att kontrollera våra muskler och röst till att tolka synen, ljuden och lukterna som omger oss, och varje typ av problem kräver sin egen typ av koder.
En jämförelse med datorkoder klargör varför detta är att vänta. Tänk på den nästan allestädes närvarande ASCII-koden som representerar de 128 tecken, inklusive siffror och alfanumerisk text, som används i kommunikationer som vanlig e-post. Nästan alla moderna datorer använder ASCII, som kodar den stora bokstaven A som 100 0001, B som 100 0010, C som 100 0011 och så vidare. När det kommer till bilder är dock den koden värdelös, och olika tekniker måste användas. Okomprimerade bitmappade bilder, till exempel, tilldelar strängar av byte för att representera intensiteten för färgerna rött, grönt och blått för varje pixel i arrayen som utgör en bild. Olika koder representerar vektorgrafik, filmer eller ljudfiler.
Några av de viktigaste koderna i ett djurs hjärna är de som det använder för att fastställa sin plats i rymden. Hur fungerar vår egen interna GPS? Hur kodar mönster av neural aktivitet där vi är när vi rör oss?
Bevis pekar i samma riktning för hjärnan. Snarare än att en enda universell kod stavar ut vad mönster av spikar betyder, verkar det finnas många, beroende på vilken typ av information som ska kodas. Ljud, till exempel, är till sin natur endimensionella och varierar snabbt över tiden, medan bilderna som strömmar från näthinnan är tvådimensionella och tenderar att förändras i en mer avsiktlig takt. Lukt, som beror på koncentrationer av hundratals luftburna luktämnen, är helt beroende av ett annat system. Som sagt, det finns några allmänna principer. Det som betyder mest är inte exakt när en viss neuron spikes utan hur ofta den gör det; skjuthastigheten är den huvudsakliga valutan.
Tänk till exempel på nervceller i synbarken, det område som tar emot impulser från synnerven via ett relä i talamus. Dessa neuroner representerar världen i termer av de grundläggande elementen som utgör varje visuell scen - linjer, punkter, kanter och så vidare. En given neuron i den visuella cortex kan stimuleras kraftigast av vertikala linjer. När linjen roteras varierar hastigheten med vilken neuronen avfyras: fyra spikar på en tiondels sekund om linjen är vertikal, men kanske bara en gång i samma intervall om den roteras 45° moturs. Även om neuronen reagerar mest på vertikala linjer, är den aldrig tyst. Ingen enskild spik signalerar om den svarar på en vertikal linje eller något annat. Endast i aggregatet - i neuronens avfyringshastighet över tiden - kan innebörden av dess aktivitet urskiljas.
Denna strategi, känd som hastighetskodning, används på olika sätt i olika hjärnsystem, men den är vanlig i hela hjärnan. Olika subpopulationer av neuroner kodar för speciella aspekter av världen på ett liknande sätt – med hjälp av avfyringshastigheter för att representera variationer i ljusstyrka, hastighet, avstånd, orientering, färg, tonhöjd och till och med haptisk information som positionen för ett nålstick i din handflata . Individuella neuroner avfyras snabbast när de upptäcker någon föredragen stimulans, mindre snabbt när de inte gör det.
För att göra saker mer komplicerade kodar spikar som kommer från olika typer av celler olika typer av information. Näthinnan är en intrikat skiktad bit av nervsystemets vävnad som kantar baksidan av varje öga. Dess uppgift är att omvandla skuren av inkommande fotoner till utgående skurar av elektriska spikar. Neuroanatomister har identifierat minst 60 olika typer av retinala nervceller, var och en med sin egen specialiserade form och funktion. Axonerna hos 20 olika typer av retinala celler utgör synnerven, ögats enda utmatning. Vissa av dessa celler signalerar rörelse i flera kardinalriktningar; andra är specialiserade på att signalera övergripande bildljusstyrka eller lokal kontrast; ytterligare andra har information om färg. Var och en av dessa populationer strömmar sina egna data, parallellt, till olika bearbetningscentra uppströms från ögat. För att rekonstruera arten av informationen som näthinnan kodar för måste forskare spåra inte bara hastigheten för varje neurons spik utan också identiteten för varje celltyp. Fyra spikar som kommer från en celltyp kan koda för en liten färgad klump, medan fyra spikar från en annan celltyp kan koda ett rörligt grått mönster. Antalet spikar är meningslöst om vi inte vet vilken speciell typ av cell de kommer från.
Och det som är sant för näthinnan verkar hålla i hela hjärnan. Sammantaget kan det finnas upp till tusen neuronala celltyper i den mänskliga hjärnan, var och en förmodligen med sin egen unika roll.
Publikens visdom
Vanligtvis involverar viktiga koder i hjärnan verkan av många neuroner, inte bara en. Åsynen av ett ansikte, till exempel, utlöser aktivitet i tusentals neuroner i högre ordningssektorer av den visuella cortex. Varje cell reagerar lite olika och reagerar på en annan detalj - ansiktets exakta form, hudtonen, riktningen i vilken ögonen är fokuserade och så vidare. Den större betydelsen ligger i cellernas kollektiva svar.
Ett stort genombrott för att förstå detta fenomen, känt som befolkningskodning, kom 1986, när Apostolos Georgopoulos, Andrew Schwartz och Ronald Kettner vid Johns Hopkins University School of Medicine lärde sig hur en uppsättning neuroner i apors motoriska cortex kodade riktningen. där en apa flyttar en lem. Ingen neuron bestämde helt var lemmen skulle röra sig, men information som samlades över en population av neuroner gjorde det. Genom att beräkna ett slags viktat medelvärde av alla nervceller som sköt, fann Georgopoulos och hans kollegor, kunde de på ett tillförlitligt och exakt sätt sluta sig till den avsedda rörelsen av apans arm.
En av de första illustrationerna av vad neuroteknik en dag kan uppnå bygger direkt på denna upptäckt. Brown University neuroforskare John Donoghue har utnyttjat idén om befolkningskodning för att bygga neurala avkodare – som innehåller både programvara och elektroder – som tolkar neural avfyring i realtid. Donoghues team implanterade en borstliknande uppsättning mikroelektroder direkt i den motoriska cortexen på en förlamad patient för att registrera neural aktivitet när patienten föreställde sig olika typer av motoriska aktiviteter. Med hjälp av algoritmer som tolkade dessa signaler kunde patienten använda resultaten för att styra en robotarm. Robotarmens sinnekontroll är fortfarande långsam och klumpig, liknar att styra en rörlig skåpbil som inte är i linje. Men arbetet är en kraftfull hint om vad som komma skall när vår förmåga att avkoda hjärnans aktivitet förbättras.
Bland de viktigaste koderna i ett djurs hjärna är de som det använder för att fastställa sin plats i rymden. Hur fungerar vår egen interna GPS? Hur kodar mönster av neural aktivitet där vi är? En första viktig ledtråd kom i början av 1970-talet med upptäckten av John O’Keefe vid University College i London av vad som blev känt som platsceller i hippocampus hos råttor. Sådana celler eldar varje gång djuret går eller springer genom en viss del av en välbekant miljö. I labbet kan en cell avfyras oftast när djuret är nära en labyrints grenpunkt; en annan kan reagera mest aktivt när djuret är nära ingångspunkten. Man-och-hustru-teamet av Edward och May-Britt Moser upptäckte en andra typ av rumslig kodning baserad på vad som kallas rutnätsceller. Dessa neuroner skjuter mest aktivt när ett djur befinner sig i spetsen av ett föreställt geometriskt rutnät som representerar dess miljö. Med uppsättningar av sådana celler kan djuret triangulera sin position, även i mörker. (Det verkar finnas minst fyra olika uppsättningar av dessa rutnätsceller med olika upplösningar, vilket tillåter en fin grad av rumslig representation.)
Andra koder tillåter djur att kontrollera handlingar som äger rum över tiden. Ett exempel är kretsen som ansvarar för att utföra de motoriska sekvenserna som ligger bakom sång i sångfåglar. Vuxna hanfinkar sjunger för sina kvinnliga partner, varje stereotyp låt varar bara några sekunder. Som Michale Fee och hans medarbetare vid MIT upptäckte, är nervceller av en typ inom en viss struktur helt tysta tills fågeln börjar sjunga. När fågeln når en viss punkt i sin sång, bryter dessa nervceller plötsligt ut i en enda skur med tre till fem tätt sammansatta spikar, bara för att tystna igen. Olika neuroner bryter ut vid olika tidpunkter. Det verkar som om individuella kluster av neuroner kodar för tidsordning, var och en representerar ett specifikt ögonblick i fågelns sång.
Mormor kodar
Till skillnad från en skrivmaskin, där en enda nyckel unikt specificerar varje bokstav, använder ASCII-koden flera bitar för att bestämma en bokstav: det är ett exempel på vad datavetare kallar en distribuerad kod. På liknande sätt har teoretiker ofta föreställt sig att komplexa begrepp kan vara buntar av individuella egenskaper; begreppet Berner Sennenhund kan representeras av neuroner som skjuter som svar på föreställningar som hund, snöälskande, vänlig, stor, brun och svart, och så vidare, medan många andra neuroner, som de som svarar på fordon eller katter , misslyckas med att skjuta. Tillsammans kan denna stora population av neuroner representera ett koncept.
Det finns någon anledning till hopp. Optogenetik tillåter nu forskare att koppla på och stänga av genetiskt identifierade klasser av neuroner efter behag med färgade ljusstrålar. Det kan avsevärt påskynda sökningen efter koder.
Ett alternativt begrepp, kallat sparsam kodning, har fått mycket mindre uppmärksamhet. Faktum är att neuroforskare en gång föraktade idén som mormor-cellkodning. Den hånfulla termen antydde en hypotetisk neuron som bara skulle avfyras när dess bärare såg eller tänkte på sin mormor – säkert, eller så verkade det, ett absurt koncept.
Men nyligen hjälpte en av oss (Koch) till att upptäcka bevis för en variant av detta tema. Även om det inte finns någon anledning att tro att en enda neuron i din hjärna representerar din mormor, vet vi nu att enskilda neuroner (eller åtminstone jämförelsevis små grupper av dem) kan representera vissa begrepp med stor specificitet. Inspelningar från mikroelektroder implanterade djupt inne i hjärnan på epileptiska patienter avslöjade enstaka neuroner som svarade på extremt specifika stimuli, såsom kändisar eller bekanta ansikten. En sådan cell, till exempel, svarade på olika bilder av skådespelerskan Jennifer Aniston. Andra svarade på bilder på Luke Skywalker av Stjärnornas krig berömmelse, eller till hans namn stavat. Ett välbekant namn kan representeras av så få som hundra och så många som en miljon neuroner i människans hippocampus och närliggande regioner.
Sådana fynd tyder på att hjärnan verkligen kan koppla ihop små grupper av neuroner för att koda viktiga saker som den möter om och om igen, ett slags neuronal stenografi som kan vara fördelaktigt för att snabbt associera och integrera nya fakta med redan existerande kunskap.
Okänt land
Om neurovetenskapen har gjort verkliga framsteg i att ta reda på hur en given organism kodar för vad den upplever i ett givet ögonblick, måste den gå vidare mot att förstå hur organismer kodar sin långsiktiga kunskap. Vi skulle uppenbarligen inte överleva länge i den här världen om vi inte kunde lära oss nya färdigheter, som den orkestrerade sekvensen av handlingar och beslut som ingår i att köra bil. Ändå förblir den exakta metoden med vilken vi gör detta mystisk. Spikar är nödvändiga men inte tillräckliga för att omsätta avsikt till handling. Långtidsminnet – liksom kunskapen som vi utvecklar när vi skaffar oss en färdighet – kodas annorlunda, inte av volymer av ständigt cirkulerande toppar utan snarare genom bokstavlig omkoppling av våra neurala nätverk.
Den omkopplingen åstadkoms åtminstone delvis genom att återskapa synapserna som förbinder neuroner. Vi vet att många olika molekylära processer är inblandade, men vi vet fortfarande lite om vilka synapser som modifieras och när, och nästan ingenting om hur man arbetar bakåt från ett neuralt anslutningsdiagram till de speciella minnena som kodas.
Ett annat mysterium handlar om hur hjärnan representerar fraser och meningar. Även om det finns en liten uppsättning neuroner som definierar ett begrepp som din mormor, är det osannolikt att din hjärna har allokerat specifika uppsättningar av neuroner till komplexa begrepp som är mindre vanliga men ändå omedelbart begripliga, som Barack Obamas mormor. Det är likaledes osannolikt att hjärnan ägnar vissa neuroner på heltid till att representera varje ny mening vi hör eller producerar. Istället, varje gång vi tolkar eller producerar en ny mening, integrerar hjärnan förmodligen flera neurala populationer, och kombinerar koder för grundläggande element (som enskilda ord och begrepp) till ett system för att representera komplexa, kombinatoriska helheter. Ännu har vi ingen aning om hur detta går till.
En anledning till att sådana frågor om hjärnans system för att koda information har visat sig vara så svåra att knäcka är att den mänskliga hjärnan är så oerhört komplex och omfattar 86 miljarder neuroner sammanlänkade av något i storleksordningen en kvadriljon synaptiska anslutningar. En annan är att våra observationstekniker förblir grova. De mest populära avbildningsverktygen för att titta in i den mänskliga hjärnan har inte den rumsliga upplösningen för att fånga individuella nervceller när de skjuter. För att studera neurala kodningssystem som är unika för människor, som de som används i språket, behöver vi förmodligen verktyg som ännu inte har uppfunnits, eller åtminstone väsentligt bättre sätt att studera mycket insprängda populationer av enskilda neuroner i den levande hjärnan.
Det är också värt att notera att det som neuroingenjörer försöker göra är lite som att avlyssna – att utnyttja hjärnans egen interna kommunikation för att försöka ta reda på vad de menar. En del av den avlyssningen kan vilseleda oss. Varje neural kod vi kan knäcka kommer att berätta något om hur hjärnan fungerar, men inte varje kod vi knäcker är något som hjärnan själv använder direkt av. Vissa av dem kan vara epifenomen - tillfälliga tics som, även om de visar sig vara användbara för tekniska och kliniska tillämpningar, kan vara avledningar på vägen mot en fullständig förståelse av hjärnan.
Icke desto mindre finns det anledning att vara optimistisk att vi går mot den förståelsen. Optogenetik tillåter nu forskare att koppla på och stänga av genetiskt identifierade klasser av neuroner efter behag med färgade ljusstrålar. Varje population av neuroner som har ett känt, unikt molekylärt postnummer kan märkas med en fluorescerande markör och sedan antingen fås att spika med millisekunders precision eller förhindras från att spika. Detta gör det möjligt för neuroforskare att gå från att observera neuronaktivitet till att ömtåligt, övergående och reversibelt störa den. Optogenetik, som nu främst används i flugor och möss, kommer avsevärt att påskynda sökandet efter neurala koder. Istället för att bara korrelera spikmönster med ett beteende, kommer experimentalister att kunna skriva in informationsmönster och direkt studera effekterna på hjärnans kretsar och beteende hos levande djur. Att dechiffrera neurala koder är bara en del av striden. Att knäcka hjärnans många koder kommer inte att berätta allt vi vill veta, mer än att förstå ASCII-koder kan i sig självt berätta hur en ordbehandlare fungerar. Ändå är det en avgörande förutsättning för att bygga teknologier som reparerar och förbättrar hjärnan.
Ta till exempel nya försök att använda optogenetik för att bota en form av blindhet orsakad av degenerativa störningar, såsom retinitis pigmentosa, som angriper ögats ljusavkännande celler. En lovande strategi använder ett virus som injiceras i ögongloberna för att genetiskt modifiera retinala ganglieceller så att de blir känsliga för ljus. En kamera monterad på glasögon skulle pulsera ljusstrålar in i näthinnan och utlösa elektrisk aktivitet i de genetiskt modifierade cellerna, vilket direkt skulle stimulera nästa uppsättning neuroner i signalvägen – återställa synen. Men för att få detta att fungera måste forskare lära sig språket för dessa nervceller. När vi lär oss att kommunicera med hjärnan på dess eget språk kan helt nya världar av möjligheter snart dyka upp.
Christof Koch är chief scientific officer vid Allen Institute for Brain Science i Seattle. Gary Marcus, professor i psykologi vid New York University och en frekvent bloggare för New York-bo , är medredaktör för den kommande boken Hjärnans framtid.