Google hilft Harvard-Wissenschaftlern, das menschliche Gehirn zu kartieren

Das Ergebnis ist die detaillierteste digitale Karte oder das „neuronale Netzwerk“ des menschlichen Gehirns, die jemals erstellt wurde.

Am Donnerstag gaben Lichtman und seine Partner bekannt Ergebnisse Für ihre Bemühungen in der renommierten Fachzeitschrift Science und auch veröffentlicht in Internet-Renderings Vom menschlichen Gehirn wie nie zuvor. Zum Lieferumfang gehörte eine Software, die es den Zuschauern ermöglichte, sich durch eine mikroskopisch kleine Weltraumlandschaft zu bewegen, die so detailliert war, dass Lichtman nicht anders konnte, als poetisch zu werden, wenn er darüber sprach.

„Es ist eine seltsame Welt in deinem Kopf“, sagte er. „Die Neuronen selbst sind wirklich atemberaubend schön.“

Es stimmt, dass die aus der kleinen Stichprobe gewonnenen Erkenntnisse noch nicht die Geheimnisse von Autismus, Schizophrenie oder Depression gelüftet haben. Sie können die Mechanismen des menschlichen Lernens, Gedächtnisses und der Persönlichkeit auf zellulärer Ebene noch nicht erklären. Aber es stellt einen wichtigen ersten Schritt in diese Richtung dar und bietet einen verlockenden Einblick in die Visionen, die wir in den kommenden Jahrzehnten sehen könnten.

In dieser komplexen Landschaft gibt es seltsame, nie zuvor gesehene, lehrbuchlose Strukturen, darunter, in Lichtmans Worten, „fantastisch seltsam“. Neuronen, die nur in eine Richtung zeigen und einander direkt gegenüberstehen. Axone, die Glasfaserkabel mit großer Reichweite im Gehirn, wechseln von geraden zu ungeraden Linien „Wirbel“ Die wie Turbane aussehen – dann entwirren und zu geraden Linien zurückkehren. Der Zweck von Viele dieser seltsamen Anomalien bleiben Gegenstand künftiger Untersuchungen.

Einige entwickeln bereits potenziell paradigmenwechselnde Theorien, die grundlegende neue Erkenntnisse über die Funktionsweise des Gehirns liefern könnten. Der Höhepunkt, sagte Lichtman, sei die Entdeckung einer scheinbar neuen und äußerst seltenen Art von „Superverbindung“, die Individuen verbindet. Neuronen zu axonalen Fasern, die Informationen transportieren und sich mit dem Gehirn kreuzen. Jede Superverbindung besteht aus einer Kombination von etwa 50 Vorsprüngen, wo es normalerweise nur einen gibt. Lichtman vermutet, dass diese Strukturen erklären könnten, wie sich erlernte Gewohnheiten, wie zum Beispiel das Anhalten an einer roten Ampel, ohne nachzudenken, in die physische Struktur des Gehirns einprägen.

„Wahrscheinlich sind 99 % der Verbindungen zwischen Axonen und einzelnen Gehirnzellen diese sehr schwachen Verbindungen“, sagt Lichtman. Aber „diese starken Verbindungen sind so stark, dass Informationen sehr effizient fließen können.“ Dies könnte eine Erklärung für die Tatsache sein, dass man automatisch dazu in der Lage ist, etwas zu tun.

Die neue Studie ist Teil einer viel größeren Reihe von Projekten, die von der BRAIN-Initiative finanziert werden, einer massiven wissenschaftlichen Initiative, die 2013 von der Obama-Regierung ins Leben gerufen wurde, um grundlegende Erkenntnisse über das menschliche Gehirn zu gewinnen.

„Das ist eine ziemlich große Sache“, sagte Ed Lin, ein Neurowissenschaftler am Allen Institute for Brain Science in Seattle, der nicht an der Studie beteiligt war. Die Kartierung erfolgt „an erster Stelle des Menschen“.

Len, der beim Fahren hilft Ein weiterer Baustein der BRAIN-Initiative, Er sagte, Lichtmans Arbeit könne dazu beitragen, unser Verständnis des menschlichen Gehirns zu verändern und unsere Fähigkeit zur Behandlung von Krankheiten dramatisch zu verbessern.

„Wir haben ein sehr schlechtes Verständnis dieser Schaltkreise“, sagte er. „Stellen Sie sich vor, Ihr Mobiltelefon ist kaputt und Sie wissen nichts über die Komponenten des Mobiltelefons oder wie sie miteinander verbunden sind, und Sie versuchen, es zu reparieren, wenn wir überhaupt nicht verstehen, wie die Dinge miteinander verbunden sind , unsere Chancen, das Problem zu beheben, sind gering.

Lichtmans Projekt wurde ursprünglich durch einen Teil eines fünfjährigen Zuschusses in Höhe von 7 Millionen US-Dollar von den National Institutes of Health finanziert und erhielt kürzlich weitere 30 Millionen US-Dollar. Mehr als fünf Jahre relevantes NIH-Programm. Ziel der Bundesbehörde ist es, unser Verständnis von Krankheiten zu verbessern, die Kognition und Emotionen beeinträchtigen.

Mit dem Geld wird auch ein weiteres finanziert Ähnliche Projektewird durch die unentgeltliche Zusammenarbeit mit Google ergänzt, das die für die Durchführung des Projekts erforderliche Rechenleistung und technische Arbeit bereitstellte.

Danach wurde die Probe des menschlichen Gehirns gefärbt, geschnitten und fotografiert In Lichtman LaborDie Google-Ingenieure nutzten maschinelles Lernen, um diese Chips wieder miteinander zu verbinden, und verwendeten Farben, um die Drähte mit bloßem Auge sichtbar zu machen.

Der Umfang der Herausforderung, diese 1-Kubikmillimeter-Probe nachzubilden Aus dem menschlichen Gehirn In digitaler Form war es so groß, dass der Aufwand für die weitere Abbildung eines gesamten menschlichen Gehirns warten musste. Genaues Bild von Das gesamte menschliche Gehirn ist drin Diese Größenordnung würde laut Lichtman in etwa der Datenmenge entsprechen, die in einem Jahr auf der ganzen Welt produziert wird.

Deshalb wird der nächste Versuch bescheidener ausfallen: In den nächsten fünf Jahren wollen Lichtman und seine Mitarbeiter den ersten 10-Kubikmillimeter-Abschnitt fotografieren. von uns Mäusegehirn. Das Projekt ist ein Proof of Concept mit dem ultimativen Ziel: ein vollständiges Mausgehirn, 50-mal größer.

„Das menschliche Gehirn wird ein weiterer Faktor sein, der tausendmal größer ist als das Gehirn einer Maus“, sagt Lichtman. „Wir haben nicht die Möglichkeit, diese Informationen zu speichern.“

Der Gewinn aus all diesen Bemühungen könnte letztendlich enorm sein. Google und andere hoffen, die Ergebnisse nutzen zu können, um ihre Fähigkeit zu verbessern, Algorithmen für künstliche Intelligenz zu entwickeln, die dem menschlichen Gehirn nachempfunden sind.

Lichtman seinerseits hofft, grundlegende Fragen zum menschlichen Geist beantworten zu können: Wie können sich Darstellungen der Welt in unseren Köpfen einprägen? Was sind die materiellen Grundlagen des Wissens?

Das Projekt hat ihn bereits in ein intellektuelles Gebiet geführt, mit dem er nie gerechnet hätte. Er beschreibt die Erfahrung, in seinem Büro mit einem neuen „Neuroglas“-Werkzeug zu sitzen, das es ihm ermöglichte, durch die visuelle Landschaft eines neuronalen Netzwerks zu manövrieren, als „wunderbar“, „magisch“ und „wie eine Fantasie“. Er wollte jede Zelle einzeln anklicken.

Unter Berufung auf die Namen von Magellan, Amerigo Vespucci und anderen berühmten Entdeckern lobte Lichtman die Spannung der Entdeckung.

„Das ist der Verwendung des Hubble-Teleskops oder des James-Webb-Teleskops sehr ähnlich“, sagt Lichtman. „Aber es ist kein Teleskop, sondern ein Mikroskop, das uns einen Blick ins Innere ermöglicht. Es gibt sicherlich alles Mögliche, was wir noch nie zuvor gesehen haben. Wir erforschen Terra incognita.“

Adam Piore kann unter [email protected] erreicht werden.