Sebastian Seung: Mój konektom to ja.

Sebastian Seung przedstawia nowy, niezmiernie ambitny model mapowania mózgu, który skupia się na powiązaniach między indywidualnymi neuronami. Zrozumienie tego, w słowach Seunga, "konektomu" (równie unikatowego dla każdego z nas co nasz genom) może pozwolić nam na znalezienie nowych sposobów poznania mózgu i umysłu.

Żyjemy w ciekawych czasach,

w erze genomiki.

Genom to kompletny zapis DNA.

U każdego człowieka jest trochę inny.

Dlatego wyglądamy inaczej.

Moje oczy są brązowe.

Inni mogą mieć niebieskie czy szare.

Ale to nie tylko kwestia wyglądu.

W gazetach czytamy,

że geny mogą powodować choroby

a nawet kształtować osobowość

czy być przyczyną chorób psychicznych.

Geny wydają się mieć

ogromny wpływ na nasze losy.

Mimo to, uważam, że ja

to więcej niż moje geny.

Co myślicie?

Czy wy też jesteście czymś więcej?

Widzowie: Tak. Tak?

Część z was zgadza się ze mną.

Powinniśmy to obwieścić światu.

Powiedzmy wszyscy razem:

Ja to więcej niż moje geny.

Wszyscy: Ja to więcej niż moje geny

(Wiwaty)

A więc ja - to kto?

(Śmiech)

Otóż mój konektom - to ja.

Świetnie nam się współpracuje więc

spróbujmy to też powiedzieć razem.

(Śmiech)

Wszyscy razem:

Mój konektom to ja.

Świetnie nam wyszło.

Jesteście super: nie wiecie co to jest konektom,

a jednak ze mną współpracujecie.

To ja mogę już sobie iść.

Jak dotąd poznaliśmy tylko jeden konektom:

tego malutkiego robaka.

Jego układ nerwowy

składa się z tylko 300 neuronów.

W latach 70. i 80.

zespół naukowców

opisał wszystkie 7000 połączeń

między-neuronalnych.

W tym diagramie, każdy punkt to neuron

a każda linia to połączenie.

Widzicie teraz na własne oczy

konektom nicienia C. elegans

Nasze konektomy są bardziej złożone

ponieważ nasz mózg

zawiera 100 miliardów neuronów

i 10 tys. razy tyle połączeń.

Je też można przedstawić na diagramie

ale nie dałoby się ich zmieścić na takim slajdzie.

Konektom zawiera milion razy więcej połączeń

niż jest liter w naszym genomie.

To mnóstwo informacji.

Co mogą nam powiedzieć?

Nie wiemy na pewno, ale mamy teorie.

Od XIXw. neurobiolodzy zastanawiali się

czy nasze wspomnienia,

informacje, które kreują tożsamość

czy może są one zapisane

w połączeniach pomiędzy neuronami.

Inne aspekty tej tożsamości

osobowość czy intelekt

może także są zapisane

w tych połączeniach.

Stąd wzięła się moja hipoteza,

że mój konektom to ja.

Nie skandowaliście jej, bo jest prawdziwa,

ale po to by ją zapamiętać.

Nie wiemy czy ta hipoteza jest trafna

bo nie mieliśmy technologii

wystarczająco zaawansowanej by ją przetestować.

Odkrycie konektomu u robaka

zajęło ponad 10 lat żmudnej pracy.

Żeby odkryć konektom w mózgach jak nasze

potrzebujemy wyrafinowanych technologii,

które zautomatyzują i przyśpieszą ten proces.

Opowiem wam o nich.

Są one obecnie opracowywane

w naszych laboratoriach.

Komórkę neuronową

można rozpoznać

po intrygującym kształcie.

Ma długie, delikatne rozgałęzienia

i jest nieco podobna do drzewa.

Ale to tylko jedna komórka.

Żeby odkryć wszystkie połączenia

musimy widzieć jednocześnie wszystkie neurony.

Przedstawiam więc Bobby'ego Kasthuri

pracownika laboratorium Jeffa Lichtmana

na Harvardzie.

Bobby trzyma w ręku przekroje

mózgu myszy.

Przybliżamy teraz 100 tys. razy

by uzyskać rozdzielczość,

która pozwoli dostrzec wszystkie rozgałęzienia.

Tylko że teraz trudno je rozpoznać

bo musimy operować w trzech wymiarach.

Składając zdjęcia wielu fragmentów,

jedno na drugim,

otrzyma się obraz trójwymiarowy.

rozgałęzienia nadal mogą być niewidoczne.

Więc, zaczynając od góry

kolorujemy przekrój jednego z nich na czerwono

i robimy to samo z kolejnymi.

i robimy to samo z kolejnymi.

I tak dalej, zdjęcie po zdjęciu.

I tak dalej, zdjęcie po zdjęciu.

Kontynuując w ten sposób

będziemy mogli zrekonstruować w trójwymiarze

fragment rozgałęzienia naszego neuronu.

Gdy pokolorujemy inny neuron na zielono

widać, że styka się on z czerwonym

w dwóch miejscach,

które nazywamy synapsami.

Przyjrzyjmy się jednej z nich.

Patrząc na wnętrze zielonego neuronu

powinniście zobaczyć małe koliste kształty

To pęcherzyki synaptyczne.

Zawierają one neuroprzekaźnik.

Więc gdy zielony neuron chcę wysłać sygnał

do czerwonego neuronu

wysyła swój neuroprzekaźnik.

Połączenie synaptyczne między neuronami

można porównać

do połączenia telefonicznego między ludźmi.

Tak odkrywamy pojedyncze synapsy.

Ale jak odkryć cały konektom?

Używając trójwymiarowych obrazów

jak gigantycznej, trójwymiarowej kolorowanki.

Każdy neuron kolorujemy inną barwą

i przeglądamy wszystkie obrazy,

znajdujemy synapsy

i zapisujemy kolory, które łączą.

Kiedy zrobimy tak z wszystkimi naszymi zdjęciami

to znajdziemy konektom.

Poznaliście podstawowe informacje

o neuronach i synapsach.

Jesteście gotowi by zająć się

jednym z ważniejszych zagadnień neurobiologii:

czym różnią się mózgi kobiet i mężczyzn? (Śmiech)

czym różnią się mózgi kobiet i mężczyzn? (Śmiech)

Według tego poradnika

mózgi facetów są jak gofry:

wszystko ma swoją przegródkę.

U dziewczyn mózg jest jak spaghetti

wszystko łączy się ze wszystkim innym.

(Śmiech)

Swoją drogą, śmiejecie się

z książki, która zmieniła moje życie.

(Śmiech)

A tak na poważnie, w czym tkwi błąd?

Sami już znacie odpowiedź.

Płeć nie ma znaczenia

wszystkie mózgi są jak spaghetti.

Jak cieniutkie capellini z rozgałęzieniami.

Tak jak jedna nitka makaronu

łączy się z wieloma innymi na talerzu

podobnie neurony dotykają

innych przez rozgałęzienia.

Każdy może łączyć się z wieloma innymi

dzięki synapsom przy stykach komórek.

dzięki synapsom przy stykach komórek.

Możecie stracić z oczu fakt,

że ta tkanka jest niezwykle mała.

Skontrastujmy ten sześcian z innymi wielkościami.

Jego krawędzie mają 6 mikrometrów.

A tak wygląda na tle całego neuronu:

Tylko niewielka część rozgałęzień

zawiera się w tym sześcianie.

Neuron, jest o wiele mniejszy od mózgu.

A mózg myszy

jest o wiele mniejszy od mózgu ludzkiego.

Kiedy pokazuję to znajomym,

czasem mówią mi,

"Sebastian, daj sobie spokój z neurobiologią,

to bez sensu."

Patrząc na mózg gołym okiem

nie widzimy jak bardzo jest złożony.

Ale kiedy patrzy się przez mikroskop

odkrywa się jego złożoność.

Siedemnastowieczny filozof

i matematyk, Blaise Pascal,

pisał o tym, jak przeraża go nieskończoność,

o uczuciu własnej znikomości

w obliczu niezmierzonego kosmosu.

Mnie jako naukowcowi

nie wypada mówić o uczuciach.

Studenci nie chcą o tym słuchać.

(Śmiech)

Ale pozwolicie mi?

(Śmiech)

(Brawa)

Czuję zaciekawienie

zdumienie i podziw

ale czasem też rozpacz.

Dlaczego badam

organ o tak ogromnej złożoności,

która może być nieskończona?

To absurdalne zadanie.

Jak możemy marzyć

o zrozumieniu w całości?

Pozostaję jednak przy donkiszotowskiej nadziei,

że być może, któregoś dnia

dzięki potężnym mikroskopom

będziemy w stanie zobaczyć

każdy neuron, każdą synapsę

zapisać ich obraz w bazie danych.

Wtedy superkomputery

przeanalizują je bez pomocy człowieka

i uda im się opisać konektom.

Mam nadzieję, że dożyję tego dnia.

Znalezienie kompletnego konektomu człowieka

to ważne wyzwanie dla technologii,

którym zajmą się pokolenia naukowców.

Obecnie, razem ze współpracownikami,

obieramy mniejsze cele,

jak znajdywanie częściowych konektomów

w kawałeczkach mózgu myszy czy człowieka.

To wystarczy, by poddać testom hipotezę,

że mój konektom to ja.

Chcę was przekonać, że jest to hipoteza

godna rozważenia.

Kiedy człowiek rozwija się w dzieciństwie

i dorośleje później,

zmienia się powoli jego tożsamość.

Podobnie, każdy konektom

przechodzi zmiany w czasie.

Jakiego rodzaju zmiany?

Neurony, tak jak drzewa,

mogą wypuszczać nowe gałęzie

i tracić stare.

Mogą powstać nowe synapsy

a stare mogą być usunięte.

Synapsy mogą zwiększać swą objętość

ale mogą też się zmniejszać.

Drugie zagadnienie to:

Co powoduje te zmiany?

Do pewnego stopnia

są zaprogramowane genetycznie.

Ale to nie cała prawda

bo mamy też impulsy elektryczne

biegnące po rozgałęzieniach neuronalnych

oraz sygnały chemiczne

przeskakujące z jednej gałęzi na drugą.

Nazywamy to aktywnością neuronową.

Mamy wiele dowodów na to,

że w aktywności neuronowej

zakodowane są myśli, uczucia, postrzeżenia

nasze przeżycia wewnętrzne.

Są dowody na to, że aktywność neuronowa

może powodować zmiany w połączeniach.

To znaczy, że możemy stwierdzić,

że doznania i doświadczenia

mogą zmienić nasz konektom.

Dlatego każdy konektom jest inny

nawet u bliźniaków jednojajowych.

To tu styka się natura z kulturą.

Myślenie samo w sobie, może powodować

Myślenie samo w sobie, może powodowa

zmiany w konektomie

np. dzięki ważnej dla nas idei.

Co mamy na tym obrazku?

Chłodny, orzeźwiający strumień?

A co jeszcze?

Nie zapominajmy o zagłębieniu w ziemi

tzw. korycie strumienia.

To ono nadaje kierunek wodzie.

Zobaczcie w tym strumieniu metaforę

Zobaczcie w tym strumieniu metaforę

zależności między aktywnością neuronową

i połączeniami między komórkami.

Aktywność neuronowa nieustannie się zmienia.

Jak woda w strumieniu: ciągle płynie.

Połączenia w sieci neuronów w mózgu

Połączenia w sieci neuronów w mózgu

warunkują możliwe ścieżki

dla aktywności neuronowej.

Konektom jest jak koryto strumienia.

Ale ta metafora jest głębsza:

to prawda, że koryto strumienia

kieruje przepływem wody

ale z upływem czasu

woda także zmienia ułożenie koryta.

Tak jak aktywność neuronowa może zmieniać połączenia.

Tak jak aktywność neuronowa może zmieniać połączenia.

Pozwólcie mi wznieść się

na wyżyny liryki.

Przypominam, że aktywność nerwowa

to fizjologiczna podstawa

naszych myśli, uczuć i doznań.

Możemy zatem mówić nawet

o strumieniu świadomości.

Gdzie aktywność neuronalna to woda

a konektom to koryto.

Ale wróćmy teraz z wyżyn poetyckiej metafory

do faktów nauk ścisłych.

Załóżmy, że mamy już technikę

znajdowania kompletnych konektomów.

W jaki sposób sprawdzilibyśmy czy hipoteza

"Mój konektom to ja" jest prawdziwa?

Proponuję bezpośredni test:

spróbujmy odczytać

wspomnienia z konektomu.

Umiejętność przypomnienia sobie

długiej sekwencji ruchów

jak u pianisty grającego sonaty Beethovena.

Wg teorii mającej swój początek jeszcze w XIX w.

pamięć tego typu jest przechowywana

jako łańcuchy połączeń nerwowych w mózgu.

Kiedy pierwszy neuron łańcucha jest aktywowany,

wysyła sygnał, poprzez synapsy, do następnych neuronów

i tak po kolei

jak kostki domina.

Ta sekwencja aktywacji kolejnych neuronów

może być podstawą neurologiczną

sekwencji ruchów pianisty.

Możemy przetestować tę teorię

szukając takich łańcuchów

w konektomach.

Co nie będzie proste, bo łańcuchy nie będą wyglądać tak.

Ich ogniwa będą porozrzucane po całym mózgu.

Musimy więc wykorzystać komputery,

żeby złożyć je w całość.

Sekwencja neuronów,

którą w ten sposób odkryjemy będzie

przewidywanym wzorem aktywności neuronalnej

podczas procesu przypominania.

Jeśli się uda, będzie to pierwszy przypadek

odczytania wspomnień z konektomu.

(Śmiech)

Niezły bałagan.

Próbowaliście kiedyś podłączyć przewody

w tak skomplikowanym systemie?

Mam nadzieję, że nie.

Łatwo tu o pomyłkę.

Rozgałęzienia neuronów są jak kable w mózgu.

Jaka jest łączna długość tego okablowania?

Podpowiem, że to ogromna liczba.

(Śmiech)

Wg moich szacunków, miliony mil.

Upakowane w naszych czaszkach.

Doceniając ogrom tej długości

z łatwością stwierdzicie,

że łatwo można je poplątać.

Media lubują się w krzykliwych nagłówkach typu:

"Mózgi anorektyków mają inne połączenia"

czy: "Autystyczne mózgi mają inne połączenia"

To prawdopodobne stwierdzenia,

ale obecnie nie jesteśmy w stanie

zobaczyć tego okablowania na tyle dobrze

by móc potwierdzić te hipotezy.

Dzięki technologii pozwalającej

zaobserwować konektomy

odczytamy błędne okablowanie w mózgu:

choroby psychiczne na poziomie konektomu.

Sprawdzając hipotezę dobrze jest

rozważyć jej ekstremalne konsekwencje.

Filozofowie lubią się w to bawić.

Jeśli uważam, że mój konektom to ja

muszę także przystać na to,

że śmierć to nic innego jak

zniszczenie mojego konektomu.

Mamy dziś wielu proroków

twierdzących, że z pomocą technologii

będziemy mogli zmienić kondycję ludzką

a może nawet przeobrazić nasz gatunek.

Marzymy gorąco o tym,

że uda nam się oszukać śmierć

poprzez technikę zwaną krioniką.

Za 100 tys. dolarów

możemy zamrozić nasze ciało po śmierci

w płynnym azocie na przechowanie

w specjalnym magazynie w Arizonie

oczekując na cywilizację przyszłości,

której uda się nas ożywić.

Czy należy wyszydzać ten pomysł

jako mrzonki głupców?

Czy może to oni któregoś dnia

zaśmieją się nad naszymi grobami?

Nie wiem.

Przetestujmy ich poglądy naukowo.

Poszukajmy konektomu

w zamrożonym mózgu.

Wiemy, że mózg niszczeje

po śmierci, w trakcie zamrażania.

Ale czy wymrozi się cały konektom?

Jeśli tak to nikt w przyszłości nie odzyska

wspomnień z zamrożonych mózgów.

Ciało być może zostanie ożywione,

ale umysł nie.

Jeśli konektom będzie nienaruszony,

nie powinniśmy szydzić z krioniki.

Opisałem wam dziś program badawczy,

który zaczyna się w świecie mikro

ale prowadzi nas do świata przyszłości.

Konektomy wyznaczą punkt zwrotny historii.

Gdy ewoluowaliśmy z naszych przodków

na afrykańskich sawannach

wyróżniała nas wielkość naszych mózgów,

które są wykorzystywane

by odkrywać niesamowite technologie.

Kiedyś, technologie te staną się tak potężne,

że wykorzystamy je do poznania nas samych

przez dekonstrukcję i rekonstrukcję

naszych własnych mózgów.

Ta podróż do samopoznania

jest nie tylko dla naukowców,

ale dla każdego z nas.

Cieszę się, że mogłem się nim podzielić dziś z wami. Dziękuję.

Cieszę się, że mogłem się nim podzielić dziś z wami. Dziękuję.

(Brawa)