Google helpt Harvard-wetenschappers het menselijk brein in kaart te brengen

Het resultaat is de meest gedetailleerde digitale kaart, of ‘neuraal netwerk’, van het menselijk brein dat ooit is gemaakt.

Donderdag maakten Lichtman en zijn partners bekend resultaten Voor hun inspanningen in het prestigieuze tijdschrift Science, en ook gepubliceerd in Internet-weergaven Van het menselijk brein zoals nooit tevoren. Het werd compleet geleverd met software waarmee kijkers door een microscopisch ruimtelandschap konden bewegen dat zo gedetailleerd was dat Lichtman niet anders kon dan poëtisch worden als hij erover sprak.

‘Het is een vreemde wereld in je hoofd’, zei hij. “De neuronen zelf zijn werkelijk verbluffend mooi.”

Het is waar dat de inzichten uit de kleine steekproef de geheimen van autisme, schizofrenie of depressie nog niet hebben onthuld. Ze kunnen de mechanismen van het menselijk leren, geheugen en persoonlijkheid op cellulair niveau nog niet verklaren. Maar het vertegenwoordigt een belangrijke eerste stap in deze richting en biedt een verleidelijke inkijk in het soort visies dat we de komende decennia kunnen tegenkomen.

In dit complexe landschap bevinden zich vreemde, nog nooit eerder geziene, leerboekloze structuren, waaronder, in de woorden van Lichtman, ‘fantastisch vreemd’. Neuronen die slechts in één richting wijzen, recht tegenover elkaar. Axonen, de langeafstandsglasvezelkabels van de hersenen, bewegen van rechte naar vreemde lijnen “Wervelingen” Die eruitzien als tulbanden – vervolgens ontrafelen en terugkeren naar rechte lijnen. Het doel van Veel van deze vreemde afwijkingen blijven het onderwerp van toekomstig onderzoek.

Sommigen genereren al potentiële paradigma-veranderende theorieën die fundamentele nieuwe inzichten kunnen onthullen in hoe de hersenen werken. Het hoogtepunt, zei Lichtman, is de ontdekking van wat een nieuw en uiterst zeldzaam type ‘superverbinding’ lijkt te zijn dat individuen met elkaar verbindt. Neuronen naar axonale vezels die informatie dragen en die de hersenen kruisen. Elke superverbinding heeft een combinatie van ongeveer 50 uitsteeksels, terwijl er meestal maar één is. Lichtman veronderstelt dat deze structuren kunnen helpen verklaren hoe aangeleerde gewoonten, zoals stoppen voor een rood licht zonder na te denken, in de fysieke structuur van de hersenen gegraveerd blijven.

“Waarschijnlijk zijn 99% van de verbindingen tussen axonen en individuele hersencellen deze zeer zwakke verbindingen”, zegt Lichtman. Maar “die sterke verbindingen zijn zo sterk dat informatie heel efficiënt kan stromen. Dit zou een manier kunnen zijn om het feit te verklaren dat je, nadat je iets hebt geleerd, automatisch de mogelijkheid hebt om het te doen.”

De nieuwe studie maakt deel uit van een veel grotere reeks projecten die worden gefinancierd door het BRAIN Initiative, een enorme wetenschappelijke inspanning die in 2013 door de regering-Obama werd gelanceerd om fundamentele inzichten over het menselijk brein bloot te leggen.

“Het is een behoorlijk groot probleem”, zegt Ed Lin, een neurowetenschapper aan het Allen Institute for Brain Science in Seattle, die niet bij het onderzoek betrokken was. Het in kaart brengen is een ‘menselijke primeur’.

Len, die helpt rijden Nog een onderdeel van het BRAIN-initiatief, Hij zei dat het werk van Lichtman ons begrip van het menselijk brein zou kunnen helpen veranderen en ons vermogen om ziekten te behandelen dramatisch zou verbeteren.

“We hebben een zeer slecht begrip van deze circuits”, zei hij. “Stel je voor dat je mobiele telefoon kapot is en je weet niets van de componenten van de mobiele telefoon of hoe ze met elkaar verbonden zijn, en je probeert hem te repareren als we helemaal niet begrijpen hoe de dingen met elkaar verbonden zijn , zijn onze kansen om het te kunnen repareren klein.

Lichtmans project werd oorspronkelijk gefinancierd door een deel van een vijfjarige subsidie ​​van $ 7 miljoen van de National Institutes of Health, en ontving onlangs nog eens $ 30 miljoen. Meer dan vijf jaar relevant NIH-programma. Het doel van het federale agentschap is om ons begrip van ziekten die cognitie en emotie beïnvloeden te verbeteren.

Het geld financiert ook een ander Gerelateerde projectenwordt aangevuld door de pro bono samenwerkingsinspanningen van Google, die de rekenkracht en technische arbeid leverden die nodig waren om het project uit te voeren.

Nadat het menselijke hersenmonster was gekleurd, uitgesneden en gefotografeerd In Lichtman laboratoriumGoogle-technici pasten machine learning toe om die chips weer met elkaar te verbinden en pasten kleuren toe om de draden met het blote oog zichtbaar te maken.

De omvang van de uitdaging om dat monster van 1 kubieke millimeter opnieuw te creëren Van het menselijk brein In digitale vorm was het zo groot dat de inspanning om door te gaan met het in beeld brengen van een volledig menselijk brein zou moeten wachten. Nauwkeurig beeld van Het hele menselijke brein is binnen Deze schaal zou volgens Lichtman ongeveer gelijk zijn aan de hoeveelheid data die in één jaar over de hele wereld wordt geproduceerd.

Daarom zal de volgende poging bescheidener zijn: de komende vijf jaar willen Lichtman en zijn medewerkers het eerste gedeelte van 10 kubieke millimeter fotograferen. van ons Muis hersenen. Het project is een proof of concept met als uiteindelijk doel: een compleet muizenbrein, 50 keer groter.

“Het menselijk brein zal nog een factor duizend keer groter zijn dan het brein van muizen”, zegt Lichtman. “We hebben niet de mogelijkheid om die informatie op te slaan.”

De winsten van al deze inspanningen kunnen uiteindelijk enorm zijn. Google en anderen verwachten de resultaten te gebruiken om hun vermogen te verbeteren om algoritmen voor kunstmatige intelligentie te bedenken die zijn gemodelleerd naar het menselijk brein.

Lichtman van zijn kant hoopt fundamentele vragen over de menselijke geest te beantwoorden: hoe kunnen representaties van de wereld in ons hoofd worden ingeprent? Wat zijn de materiële fundamenten van kennis?

Het project heeft hem al op intellectueel terrein gebracht waarvan hij nooit had verwacht dat hij het zou betreden. Hij beschrijft de ervaring van het zitten in zijn kantoor met een nieuw ‘neuroglas’-instrument waarmee hij door het visuele landschap van een neuraal netwerk kon manoeuvreren als ‘wonderbaarlijk’, ‘magisch’ en ‘als een fantasie’. Hij wilde op elke cel afzonderlijk klikken.

Lichtman riep de namen van Magellan, Amerigo Vespucci en andere beroemde ontdekkingsreizigers aan en prees de opwinding van de ontdekking.

“Dit lijkt erg op het gebruik van de Hubble-telescoop of de James Webb-telescoop”, zegt Lichtman. “Maar het is geen telescoop, het is een microscoop waarmee we naar binnen kunnen kijken. Er zijn zeker allerlei dingen die we nog nooit eerder hebben gezien. We verkennen terra incognita.”

Adam Piore is te bereiken op [email protected].