У телевизијским напоменама из источне собе Беле куће 2. априла 2013. године, председник Обама открио је научну мисију, велику као и Аполонов програм. Циљ није био свемир, већ граница која је чаробна: људски мозак. Обама је изазвао „најмаштовитије и најефикасније истраживаче“ нације да у стварном времену пресликају треперење свих 100 милијарди нервних ћелија у мозгу живе особе, путовање дубоко у неуронски космос који никада није покушао у тако финим размерама. Панорамски приказ ударања електричних импулса кроз мозак могао би довести до нових нових схватања како мислимо, памтимо и учимо и како ће болести од аутизма до Алзхеимерове болести преусмерити наш ментални склоп. "Имамо шансу да побољшамо животе не само милиона", рекао је председник, "већ и милијарде људи на овој планети."
Из ове приче
Будућност мозга
КупиСличан садржај
- Шок валови могу створити опасне мехуриће у мозгу
- Повезивање више ума могло би помоћи оштећеном мозгу да оздрави
Следећег месеца, шест миља од Беле куће, професор са Харварда по имену Флориан Енгерт зграбио је микрофон и пред врхунским неурознанственицима у земљи прогласио Обамин напор у основи бескорисним. "Сада имамо те податке", рекао је Енгерт, који је у соби пуној професорских блејзера и кардигана носио мишићну кошуљу која је пружала широк поглед на његове испупчене бицепсе. "Открили смо да заправо и нису баш толико корисни." ("Мислим да је снимање читавог мозга само гомила бика ----", како ми је касније рекао.) Другим истраживачима мора да звучало је као издајник.
Енгерт, који има 48 година, био је у основи прва особа на планети која је посматрала мозак на начин како је Обама замислио. Он и његове колеге урадили су то научно фантастичним експериментом који је забиљежио сваку трунку мождане активности у провидном бебом зебрафис, значајном подвигу објављеном само годину дана раније у научном часопису Натуре . За Енгерта да сугерише да је председникова мождана потрага била мало налик на Јохна Гленна који се враћао из орбите и рекао ЈФК да се не мучи са слетањем на месечину.
„Требао би бити заговорник“, каже Мииоунг Цхун, молекуларни генетичар и извршни директор Фондације Кавли, водећи носилац истраживања неурознаности. "Многи други неурознанственици славе оно што је могао да постигне, али и сам то угашава."
Али Енгерт је покушавао да каже: Снимање целог мозга, према његовом мишљењу, није нужно најбољи пут ка новим открићима о три килограма меса између наших ушију. „Можете пронаћи обрасце, низове, гроздове, корелације и подручја удараца. А шта онда? ”Рекао ми је. То је пуно података без разумевања.
Бијела кућа - и многи научници - полагали су превише наде, помислио је Енгерт, на преуску идеју о томе како разумјети мозак. У питању су његове критике питања не само метода, већ и самих циљева неурознаности. Колико требамо очекивати да се у свом животу упознамо са појавама попут сећања, сна и свести? Шта треба да буде највиши позив на терену? Да ли би то требало бити лек за болест или су друге линије испитивања подједнако вредне?
Енгерт ствара контроверзу, посебно када је он у њеном средишту. Опасна је игра за академског радника, али спаси га наука. Прошлог септембра, Обамина администрација додељила му је једну од највећих грантова за нову мождану мисију, помажући га вођом самог напора који не може да престане да одбија.
**********
Хиљаде, ако не и милиони ћелија мозга морају да разговарају једни са другима да би човек могао да обави чак и најосновнији задатак, попут подизања чаше воде. Ћелије размењују поруке у облику електричних импулса који се крећу милисекундним брзинама дуж мрежа влакана које се протежу у свим деловима мозга. Скоро сваког тренутка, тј. Да је Пекинг мозга телефоном у свом Хелсинкију, са Ла Пазом и Кампалом на конференцији. Сматра се да ови кругови активности леже у основи неких највећих мистерија мозга: како чувамо и сећамо сећања; како осећамо емоцију; како неурони кодирају податке из наших чула и како они црпе те податке да би оркестрирали понашање; како се ти склопови мењају код људи са психијатријском и неуролошком болешћу.
До недавно су научници могли да снимају од само неколико стотина неурона одједном, чак и код лабораторијских животиња. Они су то учинили потапањем електрода у сваку од тих ћелија. Али што више ћелија покушате да пратите одједном, то је већи ризик од убијања животиње или скраћивања електронике. Сигурне, функционалне МРИ машине сликају читав мозак, али прате ниво кисеоника у крви, а не електричну активност, а резолуција је сувише груба за проучавање кола на ћелијском нивоу. Због тога је Енгертов папир за природу из 2012. на беби зебра величине трепавица слетио с китом пљуска. Његов тим је пронашао начин да забележи читав мозак животиње уз помоћ фМРИ-ја и прецизности електрода по ћелији.
Зебрафисх су слатководне минице које су урођене са потоцима који провиру кроз пиринчане риже дуж Гангеса, у Индији и Бангладешу. На западу су плаве и златно пругасте рибе познатије као основне врсте почетних акваријума. Седамдесетих година прошлог века научници су у тим неупадљивим створењима видели изглед следеће велике лабораторијске животиње. Зебрафисх се размножава брзо, кошта мало и има гене којима је лако манипулисати. У првих неколико дана свог живота, зебре, рибе до мозга, виде се. Да би прочитали умове бебе зебрафисх, научници су касније схватили, све што сте требали учинити је било да погледате.
Након година покушаја и грешака, Енгерт и његови чланови лабораторија повукли су дивљи експеримент. Енгерт га је кодовао именом „Фисх ин Тхе Матрик“, након научнофантастичне филмске трилогије о људима који мисле да воде обичан живот, али су у ствари запечаћени у махунама, а мозак им је повезан са машином за виртуелну стварност. Експеримент је имао за циљ једно основно питање: Шта се дешава са мозгом беби зебра, док они уче?
У почетку није било јасно да ли ико може научити бебу зебра ништа. Енгерт и његове колеге годинама су покушавали да покрену трајне промене у понашању дајући рибу благим шоковима или награђујући их алкохолом или кокаином, а све то није било успешно. Али, инстинкт, зебре доплива до струје, рефлекс који их спречава да се оперу у нечисту рижу или, што је још горе, у море. Шта ако би научници могли навести рибу да помисли да овај жичани рефлекс не ради исправно? Да ли би риба научила да се прилагођава?
Истраживачи су добили линију генетски инжењерских зебри, чији неурони бљескају зелено када пуцају; ћелије производе флуоресцентну боју која светли светлије у присуству јона калцијума, који се уливају када ћелија пуца. Риба је морала бити непомична, тако да се зелени бљескови не би замаглили под микроскопом и још увек имају илузију слободе.
Енгерт и двојица његових постдоксова, Миша Ахренс и Рубен Португуес, парализовали су рибу токсином змијске отрове и суспендовали је у води у бистрој петријевој посуди. Како би опонашали визуелно искуство пливања у потоку, поставили су пројекцијски екран испод петријеве посуде и приказали сет покретних шипки. Од електрода закрпљених до живаца у рибљом репу, истраживачи су осјетили шта мозак поручује да ради, иако сам реп заправо није могао да се помера. Компјутер је успорио решетке када је риба лепршала - или мислила да лепрша - репом, тако да ће добити визуелни знак да успешно држи своје место у покретној води.
Затим је дошло до испирања мозга. Када је риба „пливала“, истраживачи су превише успорили шипке или преокренули свој ток, са циљем да натерају животињу да помисли да јој је реп постао супер јак. Или су учинили да решетке успоравају премало, потапајући рибу мислећи да јој је реп ненормално слаб. У сваком случају, риба је надокнађивала или је смањивала резове или их повећала: све што је било потребно да остане стављена у виртуелни ток. Не само да су зебрефије након што су зебра поновно калибрирали своје репове, касније су се сетили да су то учинили: Учили су. Када су научници дали паузи од десет секунди па су вратили брзину шипке у своје реално подешено стање, риба је у почетку хватала репове као да су или прејаки или преслаби.
(Самуел Веласцо / 5В Инфограпхицс) 
(Самуел Веласцо / 5В Инфограпхицс) 
Мозак зебрафисх током пливања (Флориан Енгерт) 
Мозак зебрафисх за време визуелне стимулације (Флориан Енгерт) 
Зебрафисх је популаран међу развојним биолозима још од 1970-их. Рибе недељно полажу 100 до 200 јаја, која прерасту у ларве петнаестину величине приказане овде. (Адам Парслов / Хеатх Лаборатори, Валтер и Елиза Халл Институт за медицинска истраживања) Видео снимци 100.000 неурона рибе, снимљени снажним микроскопом, приказују поља блиставе зелене боје, која светлуцају у областима повезаним са видом, кретањем и учењем. Посебно је запажен скуп можданих ћелија које нису имале јасну везу са визијом или кретањем и који је трептао тек кад су рибе схватиле да су репови слабији или јачи од очекиваних. Енгерт је теоретизирао да су ове ћелије играле улогу у „изненађењу“ или „детекцији грешке“.
Рад у раду са тимом уочио је бројне пробоје, али највише пажње привукло је техничко чудо снимања у мозгу. Никада раније научници нису могли да сликају све неуроне живе животиње. „Технологија је била ту да изведе тај експеримент, али нико је није имао“, рекао ми је Јосепх Фетцхо, професор из Цорнелл-а који је направио многобројни напредак у неуронауци зебрафисх. „Само је Флориан био довољно орах. То је некако његов читав приступ животу. "Иди велики или иди кући".
**********
Кад сам се појавио у Енгертовој лабораторији на другом спрату зграде БиоЛабс на Харварду, поздравио ме и рекао: "Показаћу вам нешто заиста смешно." Извео ме из зграде и низ асфалтну стазу на неку страну врата школе Харвард Дивинити. На ламинираном картону на вратима врата писало је: „Не пушите у року од 25 стопа од улаза у зграду.“ Али на самим вратима био је још један знак: „Није улаз“.
Гледао је моје лице како би се увјерио да региструјем како се други знак може разумно прочитати да би негирао први. Затим је плануо у титрајући, високи смех. На питање да ли могу да се фотографирам он је нестрпљиво признао пазећи да су оба знака још увек видљива. Затим је запалио цигарету Америцан Спирит, дувао дух на стрехи Дивинити Халл-а и бацио камеру на најбољи осмех момка.
Енгерт је за мене, минијатурно, глумио једно од његових најдражих јавних личности: грабље у комедији о манирама, шармер чије је лоше понашање коначно тако безазлено да на крају изгледају само његови оптуживачи. Све приче које воли да прича о себи укључују уске бекства из једне или друге сорте фуссбудгет или пруде. Харвард, са својом осветљеном репутацијом, великим егоима и твитерашним модним императивима, нуди му посебно ефикасну фолију. Када су се колеге жалиле на његово клизање кроз зграду БиоЛабс, особље за одржавање је поставило натписе „Но Роллербладинг“. Они су сишли после његовог мандата.
Једног поподнева приметио сам бич са кожом на дрвету иза Енгертовог стола, а када сам га питао шта тамо ради, зграбио га је, спустио се на ноге и отпустио пукотину наушнице која је избацила пар запрепаштених студената са својих места. "Видите како реагују, како одједном брже раде?", Нашалио се. Истина, неко му га је иронично пружио. Енгерт је познат по веома дугом поводцу који даје члановима лабораторија. Најинвентивнија наука, сматра, долази у окружењу у којем сјајни независни мислиоци имају слободу да потјерају своје најфантастичније идеје, чак и ако не успију.
Адам Кампфф, студент додипломског студија астрофизике, одмеравао је прелазак на неурознаност за доктора наука 2002. године, када му је Енгерт дао кредитну картицу са Харварда и рекао му да лабораторији изгради два фотонски микроскоп, контрацепцију ласера и огледала за чије склапање је потребан магнум техничке спретности. Микроскопи који испаљују два импулса инфрацрвеног светла у једној тачки вреднују се због чистих слика које имају флуоресцентно обојене ћелије, попут оних које зелено трепере у генетски модификованој зебри.
Затим је Енгерт отпутовао у Беркелеи, где је управо завршио постдокторску стипендију, како би могао возити свој Хонда Схадов мотоцикл с крсташом натраг у Цамбридге.
„Док га није било, мислим да сам потрошио око 300 000 долара", рекао ми је Кампфф. „Гледајући уназад, идите, „ Чекај, то је лудо “, рекао је Кампфф, који је остао докторски рад и постдоктор код Енгерта, а сада је директор лабораторија у Саинсбури Веллцоме Центру, институту за неурознаност на Университи Цоллеге Лондон. "Али то је била најбоља ствар која ми се догодила."
За јавне разговоре из 2009. године које је Енгерт одржао у оквиру своје кандидатуре за посао, колега му је саветовао да прескочи мишицу и обуче се. Енгерт је - у Ледерхосену. Кад је изашао на бину у кожним шортсима и чарапама до колена, уверио је да је препуна сала за предавања да је, супротно изгледима, прихватио савете колеге. "Ово је свечана хаљина баварских племена", рекао је Енгерт, док је соба преплавила смех, "и то је знак највишег поштовања било које публике."
**********
Флоријан је некада био миран домицилни комад који је прождирао књиге, каже његова сестра Катхарина. Њих двојица су одрасли у минхенском кварту Сцхвабинг, боемској енклави коју су анимирали студенти са оближњих универзитета. Њихов отац је био пекар који је основао локални ланац сладоледа, а њихова мајка је продала фризерски салон своје породице како би одгајала децу. Због чаролије сви су живели изнад водећег брода Енгерт Ице. Деца су увек долазила около, али „никад нисте знали да ли су вам пријатељи због сладоледа или зато што су вам се свидели“, каже Катхарина, која је сада лекар из примарне неге у Минхену.
Кад је Енгерт био у средњој школи, њихов отац, забринут због оцена енглеског језика, послао га је у Лондон на годину дана учења језика. Енгерт се вратио кући екстровертиран и самопоуздан. Убрзо се нашао у гомили самоироничних нихилиста који су веровали да живе за тренутак јер је нуклеарна катастрофа била спретна да уништи људски род пре него што је било ко од њих навршио 30 година.
Велика питања о поријеклу свемира узбуђивала су Енгерта, а чинило се да физика има одговоре. Међутим, до његове старије године на минхенском универзитету Лудвиг Макимилианс, два стуба поља - елементарне честице и астрофизика - су се осећала "превише одвојеним од свакодневног живота", рекао ми је. Сусјед његове породице био је истраживач мозга и рекао је Енгерту да је неурознанственицима потребна физичарка, да будућност поља зависи од проналаска нових алата који ће завирити у мозак.
Као дипломирани студент и постдокторски истраживач на Институту Мак Планцк за неуробиологију изван Минхена и на Калифорнијском универзитету, Енгерт је изградио опрему за важна открића како се неурони у пацовима и шапама мењају као одговор на визуелну и електричну стимулацију - мења мишљење кључно за учење и меморија. Две године је провео дизајнирајући прилагођени двофотонски микроскоп чији би ласер, ако није правилно рукован, могао да затвори мрежнице. Типичним гестом, Енгерт је заштитним наочарима лабораторија прислонио на зид и изнад њих ставио знак на којем је писало: „Само за Вимпс“.
Његов дар за жонглирање послом и задовољством потакнуо је свој део интрамуралних коментара. 2002. године, Му-минг Поо, у чијој је лабораторији Енгерт радио као постдоц, написао је писмо којим су лабудовали чланове лабораторија. "Можда има неколико ретких срећника попут Флоријана, који ... могу неко време да уживају у животу и још увек добију понуду за посао са Харварда", написао је Поо. "Нико други у лабораторији нема Флоријанов луксуз да се игра около."
**********
Бела кућа је покренула своју мисију неурознаности, познату као БРАИН Инитиативе (за истраживање мозга кроз унапређење иновативних неуротехнологија), са захтевом од Конгреса у износу од 100 милиона долара. Национални институт за здравство прошле јесени додијелио је 46 милиона долара бесповратних средстава БРАИН-а, а агенције једнако разнолике као Национална фондација за науку, Агенција за напредне истраживачке пројекте у области одбране и Управа за храну и лијекове подржавају истраживања у складу са циљевима иницијативе. У приватном сектору компаније попут Гоогле-а, ГЕ и ГлакоСмитхКлине-а су за ову мисију посветиле више од 30 милиона долара.
Научници који су укључени у тај напор предвиђају приступ кладионицама, радећи од округлих црви (300 неурона), бебе зебрафисх и воћних муха (100.000 сваки) до мишева (75 милиона) и мајмуна (6 милијарди за макаку), пре него што су сазвали Хималају од човека мозак (скоро 100 милијарди). На неки начин, иницијатива се одвија на свим тим фронтовима истовремено. Научници проучавају делове људског мозга, док у лабораторијским животињама прихватају холистичкији приступ. И експериментишу са низом алата - ласери, ултратанке сонде, хемијске ознаке, високотехнолошки ултразвук, молекули светлосне боје, фМРИ-и следеће генерације скенера - у нади да ће снимити у високој резолуцији дубоко у нетранспарентним мозговима.
Цхун, који је помогао да убеди Белу кућу да покрене Иницијативу БРАИН, упоредио је посао зебра са експресним лифтом. „Још увек смо били на првом спрату, покушавали смо да дођемо до другог спрата“, каже она. "Затим смо ниоткуда отишли на десети спрат."
Тек кад је Енгертов рад - и још једну годину, од Мише Ахренса, који је учинио читање зебрафија драматично бржим - да смо „мислили, ОК, ова иницијатива би могла бити могућа“, рекао је Цхун. „Скок вере који су учинили био је огроман.“
Око 80 одсто гена повезаних са људском болешћу има пандан зебри. (Др Доминик Пакует / Универзитет Роцкефеллер) 
У последњем напретку мапирања мозга, истраживачи са Медицинског института Ховард Хугхес трајно обележавају испаљивање неурона (магента) у слободно пливајућу зебра. (Ериц Сцхреитер, ХХМИ / Јанелиа Ресеарцх Цампус) 
Овај поглед на мозак зебра, из тима са Универзитетског колеџа у Лондону, показује регионе где се сусрећу неурони (магента) и снопови аксона (зелене). (Том Хавкинс и Кате Турнер из Вилсон лабораторије на УЦЛ-у као део портала Зебрафисхбраин.орг) Очекује да ће исплате за здравље људи, за стања попут епилепсије, доћи за само пет година. Третмани за мање разумевајуће тегобе - од Паркинсонове и Алзхеимерове болести до аутизма, шизофреније и пост-трауматског стресног поремећаја - даље су, али једва да су недоступни. Упоређујући мозак здравих људи, ћелија по ћелију, и оних са неуролошким поремећајима, научници могу бити у могућности да изолују склопове чији прекид префигураше болест. Та открића би могла подстаћи развој нових лекова и терапија. Зебрафисх, који су кичмењаци и имају мозак сличан нашем, већ воде на пут. Користе се за тестирање лекова и за проучавање неуробиологије анксиозности, сна и злоупотребе алкохола.
Енгерт је, међутим, задовољан што такву потрагу оставља другим научницима. Каже да никада није кренуо да осликава активност у свакој ћелији мозга. Био је то само додатак експерименту „Матрица“ - чаршика која ћути расправу о томе да ли је такво снимање уопште могуће. Вођена су питањима без очигледне примене: Како зебраф реагује на одређене врсте подражаја? Који неуронски кругови пуцају када рибе пливају, лове или беже предаторе? Који експерименти нуде најбољи поглед на учење зебра?
Он жели да јавност и политичари вреднују неурознаност из истих разлога као што то чине Хуббле свемирски телескоп, Велики хадронски сударач или Марс веслач. Ниједан од њих не додирује свакодневни живот директно, али финансира се зато што постоји лепота у разоткривању мистерија универзума. Вјерује да ће се потрага вратити ако се иницијатива БРАИН превлада. "Проблем", каже он, је тај што ако не решимо Алзхеимерове и Паркинсонове болести, изгледаће као да нисмо успели у постављеним задацима и људи ће вам одузети новац и рећи: "Лепо покушајте, нема цигаре."
Што се тиче филозофских питања која поставља ово дело - да ли ће нас проучавање мозга научити било чему о природи људске свести или идеји душе; да ли ће наука једног дана спустити ствари нашег човечанства на хладну рачуницу алгоритамског кода - он је агностик.
Срели смо се једне вечери у јарко љубичастој кући у којој живи са Полином Кехајовом, истраживачицом дрога која се светлуца као сопран из Бостонске симфоније и њиховом шестогодишњом ћерком. Преко крављег паприкаша, Енгерт се присјетио нечега што је лингвиста МИТ-а Ноам Цхомски једном рекао: „Ако не можемо објаснити зашто се жохар одлучи скренути лијево, како да објаснимо зашто се људско биће одлучи да нешто уради?“
"Чак је и најнижи инсект спектакуларно добро прилагођен инструмент који је сложенији и занимљивији од било којег рачунара", рекао ми је. "Мислим, зар не бисте волели да знате како функционише његов мозак?"
Након неколико дана с Енгертом, мало сам се помицао како функционише његов мозак. Испада да његови циљеви нису баш тако неприкладни за БРАИН иницијативу као што се он понекад претвара, чак и ако су његове мотивације различите. Живе слике сваког треперећег неурона мозга могле би да имају огромну моћ, каже он, ако би научници такође видели жице: танка влакна дуж којих неурони шаљу сигнале. Тада бисте знали да ли одређени неурони разговарају једни са другима - а можда и шта су говорили.
У кампусу једног поподнева, једна од студентица Енгертове Мариела Петкова, прошетала ме двориштем до лабораторија Јеффа Лицхтмана, професора молекуларне и ћелијске биологије. У просторији без прозора, цео мозак зебра укочен је смолом и резао дијамантским ножем на 30 000 супер танких кришки. Скенирајући електронски микроскопи сликају сваку кришку, а осам студената и неколико добровољаца - укључујући Петкову маму, преко Интернета из Бугарске - претражују неуронске жице руком од секунде до секунде. Друга професорица, Цонстанце Цепко, додатни ће траг гледати како се флуоресцентни вируси шире кроз мозак. Након што је дијаграм ожичења готов, Енгерт ће на њега поставити своју мапу трепери неурона. Хаим Сомполински, теоретичар, анализираће токове неуронског промета по жицама, у потрази за принципима који те саобраћајне везе повезују са специфичним понашањима риба.
Када Енгертов посао буде завршен, за који каже да би могао да траје 20 година, он неће имати ништа више - или мање - славног од „виртуалне рибе“: софтвера који опонаша цјелокупни рад мозга зебра. Научници би могли да назову било коју комбинацију сензорних улаза - температуру воде, образац светлости, пут оближњег плена или грабежљивца - и софтверски алгоритми би показали не само како ће реаговати права риба, већ и оно што се догодило у њеном мозгу, милисекунди милисекунди и ћелија по ћелији, пре него што је то учинио.
Смислио је, у суштини, зашто зебра скреће лево.
**********
Петак ујутро доноси јединствену структуру структуре у Енгертову лабораторију: седмични састанак са свим рукама, на којем се студенти и студенти од 20 разреда међусобно упознају о својим истраживањима. У петак, средином децембра, када сам био у близини, Енгерт је закуцао на клизаљке, носећи мајицу с ликом Сноопија који бицеп исписује и речи „Добродошли у емисију Гун“.
Професор је сјео на врх стола и одскочио горе-доље на пнеуматској столици, попут дјетета које је навијало за столом родитеља. "Вов", рекао је. "Осећам се као да сам главни."
Али исто тако брзо склизнуо је са столице и угао собе, где је преузео улогу која се мање виђа у јавности: улогу тихе и стрпљиве навијачице за своје истраживаче, истраживаче ван трагова, он опреми опрему, а затим отпреме - назовите кад можете! - на звјездана поља ума.
Младићи и жене су наизмјенично кликали кроз слајдове свог најновијег дјела зебрафисх: Ево неурона који бљескају када рибе доживе благи шок. Овде, визуелни подсећају мозак на њих да процене кретање. Овде је брза камера на глодалици окренута наопако, нови алат који ће ускоро омогућити члановима лабораторија да прате мождане активности код риба које слободно пливају.
Енгерт је поставио неколико нежних питања, али углавном је било охрабрења: „Невероватно!“ „Веома лепо - звер у акцији!“ „Погледајте то! Перцепција, спознаја и свест овде. Душа рибе! "
Ученик је истакао да су клизаљке на Енгертовим ногама различите боје и боје. Енгерт је скинуо клизаљке и открио чарапе - сиве на једној нози, црне на другој. Затим је скинуо чарапе. На левој нози, велики нокат на ногу био је обојен црвено, а остали љубичасто. На десном ногу, велики нокат на ноктима био је љубичаст, а остали црвени. Када је његова ћерка исцрпила мајчине прсте у недавном експерименту лакирања ноктију, њен отац је понудио своје.
