• Tuesday June 18,2019

The Brain: Sambungan Mungkin Kunci

Anonim

Pembinaan semula 3-D sebahagian daripada tiga neuron, yang dihasilkan daripada tindanan imej korteks tetikus.

R. Schalek, B. Kasthuri, K. Hayworth, J. Tapia, J. Lichtman / Harvard dan D. Berger, S. Seung / MIT

Sekiranya saya tidak tahu Sebastian Seung adalah ahli sains saraf, saya akan menamakannya sebagai pereka permainan komputer. Rambut hitam onyx seolah-olah beku dalam badai angin. Dia memakai kasut hitam, seluar jeans, dan jaket pengebom berlapis-lapis di atas baju yang tidak terikat yang ditutupi dengan gumpalan pendarfluor. Jika seseorang menutup mata saya di Jalan Vassar di Cambridge, Massachusetts, membawa saya ke Bangunan 46 di kampus MIT, melewati tanda yang mengatakan Jabatan Ilmu Otak dan Kognitif, membawa saya ke lif ke tingkat lima dan dibawa keluar dari penutup mata di makmal Seung, saya masih tidak faham bahawa dia mempunyai kaitan dengan otak. Tiada spesimen yang terapung di dalam balang di atas rak. Tidak ada elektrod yang dipasangkan ke kepala ketua-ketua laut. Sebaliknya, saya melihat selusin pemuda memandang pada monitor, ada yang menolak tikus komputer mereka, yang lain melukis pena tether di seluruh tablet digital untuk memanipulasi imej 3-D, setiap dibungkus dengan lebih banyak megabyte daripada filem ciri pada Cakera Blu-ray.

Dan ada Seung sendiri, memandang ke belakang postdoc Daniel Berger, yang monitornya kelihatan seperti hutan fiksyen sains, dengan cawangan dan batang berwarna pirus dan ceri berwarna, terapung di dalam ruang angkasa. Saya hampir mendapati diri saya tertanya-tanya apabila permainan seterusnya Seung akan memukul kedai-kedai.

Tetapi penampilan sebaliknya, Seung adalah pakar di web neuron yang membentuk otak. Dan imej yang dia buat adalah sebahagian dari percubaan bercita-cita untuk memahami bagaimana hubungan antara sel-sel otak menimbulkan minda. "Bagaimana anda meletakkan sel-sel bodoh dan mendapatkan sesuatu yang bijak?" Dia bertanya.

Ahli sains neuroses tahu bahawa otak mengandungi kira-kira 100 bilion neuron dan bahawa neurons disatukan melalui anggaran kuadrilion sambungan. Ia melalui pautan tersebut bahawa otak melakukan kerja pembelajaran dan menyimpan ingatan yang luar biasa. Namun saintis tidak pernah memetakan keseluruhan hubungan saraf yang dikenali sebagai sambung. Ia akan seolah-olah doktor tahu tentang setiap tulang kita secara berasingan tetapi tidak pernah melihat seluruh rangka. Kerumitan yang tersendiri dari connectome telah meletakkan peta sedemikian dari jangkauan sampai sekarang.

Hutan aneh di desktop Berger adalah satu gambar kecil tetapi penting. Ia hanya tiga neuron besar- "seribu lebar rambut manusia, " kata Seung-tetapi ia menunjukkan setiap detail sambungan mereka ke benjolan dan pancang yang paling kecil. Mengambil kesempatan daripada kemajuan terbaru dalam mikroskop elektron dan pengimejan yang dikawal komputer, Seung dan pasukannya mencipta rekonstrukturan tiga dimensi yang paling rumit mengenai bahan kelabu kortikal yang pernah dibuat.

Seung percaya bahawa menjelang akhir abad ini, penggantinya akan memetakan menghubungkan seluruh otak manusia. "Keturunan kami akan melihat kembali pencapaian ini sebagai tidak kurang daripada revolusi saintifik, " tulis beliau dalam bukunya yang baru, Connectome: Bagaimana Wiring Brain Membuat Kami Siapa Kami . Apabila saintis mendapat kuasa untuk melihat otak dalam kerumitan penuh, dia berpendapat, mereka akhirnya dapat menjawab beberapa soalan yang paling asas mengenai minda.

Penemuan ini telah lama datang. Gambar akurat otak manusia yang pertama bermula pada tahun 1660-an, apabila pakar perubatan Inggeris, Thomas Willis menerbitkan imej anatomi yang dicipta oleh pembantunya, illustrator perubatan, Christopher Wren. Gambar-gambar itu membantu memusnahkan kepercayaan kuno bahawa roh-roh binatang dipam melalui ruang kosong di dalam otak. Namun, mikroskop hari Willis begitu kasar sehingga dia tidak dapat membuat struktur yang baik dari sel-sel otak. Ia tidak sampai akhir tahun 1800-an bahawa Camillo Golgi mencipta noda yang boleh mendedahkan butiran neuron individu. Saintis Sepanyol Santiago Ramón y Cajal kemudian menggunakan noda Golgi untuk menunjukkan bahawa otak adalah selaput sel cawangan, dan dia menegaskan bahawa elektrik melonjak dari satu neuron ke seterusnya.

Ramón y Cajal membuat sebahagian besar teknologi zamannya, tetapi dia tidak dapat melihat titik sebenar hubungan antara neuron-apa yang dikenali sebagai sinaps. Para generasi saintis kemudiannya menyimpulkan lokasi sinaps daripada eksperimen. Ia adalah dari eksperimen-eksperimen itu bahawa teori moden minda muncul. Pada pertengahan tahun 1900-an, ahli sains saraf mencadangkan bahawa pembelajaran menyebabkan penyusunan semula fizikal struktur otak: Sintaks baru terbentuk antara beberapa neuron, sementara yang sedia ada semakin kuat atau mati. Pada tahun 1949 ahli neurologi Kanada, Donald Hebb mencadangkan bahawa pembelajaran membawa kumpulan neuron untuk membentuk hubungan yang ketat antara satu sama lain. Majelis sel yang dipanggil ini, katanya, adalah apa yang menyimpan kenangan.

Untuk Seung, keupayaan otak untuk menghasilkan kenangan dan ciri-ciri fikiran yang lain selalu menjadi misteri yang tidak dapat ditarik. Ia sudah cukup untuk memikatnya dari kerjaya sebagai ahli fizik untuk membina model komputer seperti otak Hebb. Model komputernya dapat belajar, jadi Seung tertanya-tanya jika mungkin ada cara untuk menguji model-model tersebut terhadap koneksi sebenar untuk melihat apakah andaian-andaian Hebb betul.

Terdapat hanya satu masalah: Tiada siapa yang tahu apa hubungannya seperti. Imbasan MRI boleh menangkap seluruh otak, tetapi mereka boleh turun ke resolusi hanya beberapa milimeter padu, tidak cukup baik. Kaedah lain, seperti pewarnaan, membolehkan saintis melihat satu neuron pada satu masa tetapi tidak menjejaki hubungan yang lebih luas di antara mereka. Seung memerlukan satu cara untuk melihat setiap neuron dalam sekeping tisu otak yang diberikan.

Dia dapati cara dengan bekerja bersama para saintis yang tahu bagaimana untuk mengasah otak dengan sangat, sangat tipis. Jeff Lichtman, ahli sains saraf di Universiti Harvard, telah membina sebuah peranti yang dipanggil ultramicrotome yang menggunakan pisau berlian untuk mencukur lapisan tisu otak oleh lapisan. Ultramicrotome kemudian melekatkan setiap kepingan pada pita yang akan dimasukkan ke dalam mikroskop. Mikroskop mengambil gambar resolusi tinggi bahawa Lichtman dan rakan-rakannya menghantarnya ke makmal Seung.

Setiap imej adalah beberapa ratus inci inci, tetapi ia penuh dengan bahagian silang neural. Menyusun ratusan ribu lapisan terhadap satu sama lain boleh membuat model tiga dimensi sepotong otak. Untuk membuat model akhir, Berger dan lain-lain memeriksa setiap imej dengan mata, mewarna setiap neuron individu dalam naungan khusus mereka sendiri. Setelah selesai, lapisan diselaraskan dengan yang berikutnya, dengan neuron yang sama berwarna dengan warna yang sama.

Imej-imej tersebut mengandungi butiran yang jauh melebihi apa yang pernah dilihat sebelum ini. Tetapi pemetaan beberapa neuron tidak memberikan data yang cukup Seung untuk pergi setelah soalan-soalan yang sangat besar tentang otak. "Terdapat skala kritikal yang perlu kita capai untuk perkara ini, " katanya. Skala itu, suspek Seung, kira-kira satu milimeter padu: sejumput tisu otak yang boleh duduk di atas tempoh pada akhir ayat ini. Seratus ribu neuron boleh masuk ke dalam jumlah itu, menjadikan kira-kira satu bilion sambungan antara satu sama lain. Pemetaan penyambung di dalam milimeter padu tisu otak akan memberikan data yang cukup Seung untuk membuat pemerhatian secara statistik secara statistik mengenai bagaimana neuron disambungkan.

Sekiranya kenangan itu benar-benar dikodkan dalam perhimpunan sel seperti cara Hebb mendakwa, Seung harus dapat melihat perhimpunan tersebut (pdf). Dia akan, pada dasarnya, dapat melihat kenangan di sel-sel otak.

Lukisan neuron dengan tangan, seperti yang dilakukan Berger, terlalu banyak memakan masa, jadi Seung mempercepat pemetaan oleh komputer pengaturcaraan untuk mengimbas lapisan otak dan secara automatik mengenali neuron di dalamnya (pdf). Komputer juga membuat banyak kesilapan, tetapi kesilapan itu melompat apabila manusia melihat model. Daripada pelukis, Seung dan rakannya telah menjadi pembaca bukti.

Kerjasama antara manusia dan komputer telah melancarkan proses bersama. Daripada minggu, ia hanya mengambil masa beberapa hari untuk memetakan satu neuron individu. Sekiranya Seung dapat mencari cara untuk mempercepatkan hal-hal tersebut, dia boleh mencapai 100, 000-neuronnya dalam beberapa tahun.

Ia akan cukup sederhana, katanya, untuk ahli bedah saraf untuk mengetepikan smidgen tisu yang dikeluarkan semasa pembedahan manusia. Kemudian Seung dapat melihat sama ada pola hubungannya berbeza di otak orang yang sihat dan mereka yang mempunyai autisme, skizofrenia, dan gangguan lain. Penyambung-penyambung ini, atau kecacatan pendawaian, mungkin menyebabkan otak berfungsi dengan tidak berfungsi kerana ia memproses maklumat, menandakan isyarat dari neuron ke neuron.

Seung menjangkakan bahawa apabila para saintis menaikkan ke otak manusia yang penuh, dalam beberapa dekad yang akan datang, mereka akhirnya akan dapat mengkaji cara kerja minda yang mendalam dan menjawab soalan-soalan yang, pada masa ini, menjadi lebih kepada bidang falsafah. "Adakah benar hubungan anda?" Seung bertanya. Salah satu cara untuk mengetahui adalah untuk memodelkan otak seseorang dalam komputer. Sekiranya ia terperinci, ia mungkin berfungsi seperti otak asal. Adakah ia mengandungi kenangan yang sama yang disimpan dalam perhimpunan sel? Bolehkah anda memuat naik diri anda ke komputer untuk melepaskan diri daripada kematian?

Seung fikir soalan-soalan ini boleh diuji, tetapi dia tidak menghormati mereka. Sebaliknya dia memberi tumpuan kepada tonggak tonggak milimeternya. Untuk memukul tanda itu, dia akan memerlukan komputer yang lebih besar dan lebih cepat. Mencukur satu milimeter padu tisu otak akan menghasilkan petabyte data. Itu 'sa quadrillion bait-cukup untuk menyimpan lebih daripada 50 tahun filem bernilai tinggi. Jika kos ingatan komputer terus jatuh, Seung harus dapat menyimpan data yang banyak dalam beberapa tahun.

Tetapi teknologi yang lebih baik sahaja tidak akan mendapatkan Seung untuk menghubungkannya. "Cabaran itu menganalisis mereka, " katanya. Menjelang itu, dia memerlukan lebih banyak bola mata. Semakin ramai orang yang boleh membacanya tersambung, semakin cepat petanya akan berkembang. Akibatnya, dia dan rakan-rakannya telah menubuhkan sebuah laman web di mana orang ramai boleh masuk.

"Kami cuba memakainya, " kata Seung. Dia mungkin menjadi pereka permainan komputer selepas semua.


Artikel Yang Menarik

 "Inbred " anjing laut gajah?

"Inbred " anjing laut gajah?

Seperti yang telah saya posting tentang penduduk yang berkesan dan pembiakan, saya fikir jawatan ini akan sesuai. Mulakan semula Membaca sedikit tentang kesambilan persengketaan dan kesesakan penduduk yang saya sampaikan pada contoh ekstrem dari meterai gajah utara. Pada akhir abad ke-19 penduduknya dikurangkan kepada kira-kira 20 individu (tidak dapat ditemui dan diasingkan di pulau Mexico)

Kerja Blogger Hari Terkenal Dunia?  Penyelidik Saintis.

Kerja Blogger Hari Terkenal Dunia? Penyelidik Saintis.

Belle de Jour, penulis terbaik yang menulis buku mengenai kehidupannya sebagai gadis panggil, mendedahkan identiti sebenarnya pada hujung minggu. Namanya Brooke Magnanti. Dr. Brooke Magnanti menjadi tepat. Ia ternyata dia seorang penyelidik kanser yang mula mengubah tipuan ketika di sekolah menengah

Dipandu, Bersedia Pergi

Dipandu, Bersedia Pergi

Setiap empat tahun kita mempunyai Sukan Olimpik, dan kita mempunyai Pilihan Raya Presiden AS. Dan saya fikir kita semua boleh bersetuju dengan satu perkara: mereka berdua membuat TV yang hebat. Oleh itu, selepas anda di AS telah keluar dan mengundi, kemudian meletus sepanjang hari bekerja, kita boleh menetap untuk melihat apa yang berlaku

Apakah Masalah Mental?

Apakah Masalah Mental?

"Kebimbangan mental" adalah istilah yang baru-baru ini menjadi popular di Britain. Ia paling kerap digunakan sebagai pengganti untuk "penyakit mental". Saya agak hairan dengan ini. Dalam jawatan ini, saya menganalisis frasa ini. Perkara pertama yang melangkaui "kesusahan mental" adalah bahawa perkataan "mental" kelihatan berlebihan

Apa yang Berlaku Apabila Galaxy memakan jirannya?

Apa yang Berlaku Apabila Galaxy memakan jirannya?

Kredit & Hak Cipta: R Jay Gabany Sisa terakhir galaksi kerdil mengelilingi galaksi spiral yang merobohkannya. Dua sungai bintang-dan mungkin perkara gelap-adalah semua yang kekal sebagai kerdil massa rendah selepas ia dibongkar oleh graviti lingkaran yang lebih besar, NGC 5907. Para ahli astronomi telah menyatakan bahawa aliran bintang-bintang seperti ini agak biasa di luar kawasan galaksi lingkaran, fenomena yang telah diperhatikan di pinggir Bima Sakti serta sekitar galaksi Andromeda yang berhampiran