Se gli scienziati riescono a capire il cervello, aiuterà a curare tutte le malattie, gestire i sentimenti, controllare i ricordi e generare idee come un computer?
Il neuroscienziato Ed Boyden ha parlato delle prospettive della ricerca sul cervello, di ciò che una persona può ottenere se impara a controllare i neuroni e del motivo per cui ai progetti falliti dovrebbe essere data una seconda o addirittura una terza possibilità. Theory and Practice pubblica una traduzione dell'intervista.
“Genera costantemente nuove idee. Non leggerlo senza pensarci. Commenta, formula, rifletti e generalizza, anche se stai leggendo la prefazione. Quindi ti sforzerai sempre di comprendere l'essenza delle cose, che è ciò che è necessario per la creatività.
Ed Boyden una volta scrisse un breve saggio didattico "Come pensare" e il paragrafo sopra divenne la sua regola numero 1. Aveva 28 anni, ha avviato il suo gruppo di ricerca in neuroscienze al MIT e ha già pubblicato alcune delle sue ricerche, che gli è valso il prestigioso Brain Prize per aver contribuito a realizzare "probabilmente il più importante progresso tecnico degli ultimi 40 anni", ha detto il presidente della giuria. Sono passati quasi dieci anni. Il suo sistema di generazione di idee sembra essere all'altezza delle aspettative. Boyden ha ricevuto un premio Breakthrough da 3 milioni di dollari l'anno scorso e lui ei suoi colleghi hanno scoperto un nuovo metodo per osservare un circuito elettrico quasi inimmaginabile nel cervello. Ciò ha prodotto alcune delle immagini più accurate del cervello.
- Dici spesso che il tuo obiettivo è "svelare il cervello". Cos'hai in mente?
- Penso che il significato di questa frase cambierà con l'acquisizione di nuove conoscenze, ma ora "svelare il cervello" per me significa che, in primo luogo, possiamo simulare (molto probabilmente, usando un computer) processi che genereranno qualcosa come pensieri e sensazioni, e in secondo luogo, che possiamo capire come trattare i disturbi del cervello come l'Alzheimer o l'epilessia. Questi sono due obiettivi che mi fanno andare avanti. Uno si concentra sulla comprensione della natura umana, l'altro è più medico.
Puoi discutere con me notando che c'è una terza domanda: che cos'è la coscienza? Perché abbiamo ricordi, ma bottiglie, penne e tavoli, per quanto ne sappiamo, no? Temo che non abbiamo ancora una definizione esatta di coscienza, quindi questo problema è difficile da affrontare. Non abbiamo una "misura di coscienza" che indichi quanto sia cosciente qualcosa. Penso che un giorno ci arriveremo, ma a medio termine vorrei concentrarmi sulle prime due domande.
“Perché sappiamo così tanto del mondo? È piuttosto strano che possiamo capire la legge della gravitazione universale o la meccanica quantistica"
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- Quando hai vinto il Breakthrough Prize nel 2016, hai parlato dei tuoi continui sforzi nella ricerca sul cervello: "Se abbiamo successo, allora possiamo rispondere a domande come 'Chi sono io? Qual è la mia personalità? Cosa dovrei fare? Perché sono qui?". In che modo la ricerca può aiutarci a rispondere alla domanda "Chi sono io?"
- Ti faccio un esempio. Quando la crisi economica ha colpito nel 2008, ho parlato con molti del motivo per cui le persone fanno quello che fanno. Perché molte delle nostre decisioni non sono le migliori decisioni che potremmo prendere? Naturalmente, c'è un intero campo della scienza - l'economia comportamentale, che cerca di spiegare le nostre azioni a livello psicologico e cognitivo. Ad esempio, se fai molte domande a una persona e poi passa davanti a una ciotola di dolci, probabilmente ne prenderà alcune, perché è stanco di risposte e non può resistere.
L'economia comportamentale può spiegare alcune cose, ma non può spiegare i processi che sono alla base del processo decisionale e, ancor meno, alcuni momenti subcoscienti che non abbiamo alcun controllo. Notare che quando siamo consapevoli di qualcosa, spesso è il risultato di processi inconsci avvenuti proprio prima di esso. Quindi, se capissimo come le cellule cerebrali sono organizzate in un circuito (praticamente un circuito di computer, se vuoi) e vedessimo come le informazioni fluiscono attraverso queste reti e cambiamenti, avremmo un'idea molto più chiara del motivo per cui il nostro cervello accetta alcune soluzioni. Se capiamo questo, forse possiamo superare alcuni dei limiti e almeno capire perché facciamo quello che facciamo.
Puoi immaginare che in un futuro molto lontano (probabilmente ci vorranno molti decenni), saremo in grado di porre domande davvero difficili sul perché ci relazioniamo a certe cose in un modo o nell'altro, o perché pensiamo a noi stessi in un certo modo - domande che sono in il campo visivo della psicologia, della filosofia, ma a cui è così difficile ottenere una risposta con l'aiuto delle leggi della fisica.
- In che modo la ricerca sul cervello aiuta a rispondere alla domanda "Perché sono qui?"
- Uno dei motivi per cui sono passato dalla fisica allo studio del cervello era la domanda "Perché sappiamo così tanto del mondo?" È abbastanza strano che possiamo capire la legge di gravità, o che comprendiamo la meccanica quantistica, almeno nella misura in cui possono essere fatti i computer. È incredibile che il mondo sia comprensibile in qualche modo.
E mi sono posto una domanda: se il nostro cervello comprende una parte della struttura dell'Universo, ma non capisce tutto il resto, e tutto ciò che comprende è disponibile grazie alle leggi della fisica, su cui si basa anche il lavoro del nostro cervello, allora si scopre qualcosa come un circolo vizioso, giusto? E sto cercando di capire: come romperlo? Come rendere comprensibile l'universo? Supponiamo di non capire qualcosa sull'universo, ma se sappiamo come funziona la mente umana e che tipo di capacità di pensiero ci mancano, forse possiamo creare un'intelligenza artificiale più sviluppata che aiuterà a rafforzare la nostra capacità di pensare.
Questo concetto lo chiamo a volte un "coprocessore del cervello" - qualcosa che funziona con il cervello ed espande la nostra comprensione.
Abbiamo ancora molte domande per l'universo, giusto? Einstein ha cercato di trovare una connessione tra la meccanica quantistica e la gravità, ma non è mai riuscito in questa materia, e fino ad oggi non è del tutto chiaro come risolvere questo dilemma. Forse per capire alcune cose, dobbiamo aumentare le nostre capacità intellettuali. Cosa succede se li espandiamo? Ovviamente non ci sono garanzie. Ma forse impareremo di più sull'origine dell'Universo, su quali forze lo hanno influenzato all'inizio dell'esistenza e quali stanno influenzando ora.
- L'ultima domanda su questo argomento. In che modo la ricerca sul cervello aiuta a rispondere alla domanda "Qual è la mia personalità?"
“In questo momento stiamo cercando di mappare la struttura del cervello. È abbastanza difficile vedere qualcosa in esso. Il cervello stesso è abbastanza grande - un essere umano pesa diversi chili - ma le connessioni tra i neuroni, note come sinapsi, sono minuscole. Qui stiamo parlando di nanoscala. Pertanto, se vuoi vedere come le cellule cerebrali sono collegate in una rete, devi considerare le sinapsi. Come posso fare questo? Abbiamo sviluppato una tecnica speciale. Prendiamo un pezzo di tessuto cerebrale e vi iniettiamo una sostanza chimica, più precisamente un polimero, che è in qualche modo molto simile alla sostanza dei pannolini per bambini. È un polimero che si gonfia quando viene aggiunto del liquido.
Se lo posizioniamo all'interno del cervello e aggiungiamo acqua, saremo in grado di separare le molecole che compongono il cervello e quindi possiamo vedere le minuscole connessioni tra le cellule. Quindi ragioniamo: se prendiamo un cervello molto piccolo, ad esempio un pesce o un verme, possiamo studiarlo nella sua interezza? Saremo in grado di rappresentare l'intero sistema nervoso con la precisione dei singoli saltatori? Ora questo è a livello di idea, non ci sono ancora tecnologie necessarie per l'implementazione, ma se riuscissimo a migliorare la parte tecnica, sarebbe possibile disegnare una mappa sufficientemente dettagliata delle connessioni nel cervello, secondo la quale può essere realmente riprodotta con l'aiuto di un computer. E questa copia funzionerà allo stesso modo del cervello dell'organismo, che è diventato la fonte primaria?
Immagina di avere un verme con 302 neuroni e di aver notato circa 6mila connessioni tra di loro, oltre a molecole alle giunzioni. È possibile simulare le azioni di questo worm? Allora, forse, sarà possibile fare lo stesso con un pesce, poi con un topo e poi con un cervello umano: ognuno di questi cervelli è circa mille volte più grande del precedente. Se potessi mappare il cervello umano, sorgerebbe immediatamente la domanda: se riproducessi la sua attività su un computer, saresti ancora tu? Come notato in precedenza, non abbiamo una definizione esatta o almeno funzionante di coscienza, quindi mentre non possiamo giudicare questa qualità semplicemente guardando qualcosa, non possiamo ancora dare una risposta, direi. Ma questo solleva una domanda interessante sulla natura della personalità.
"Se capissimo come le cellule cerebrali sono organizzate in circuiti e vedessimo come le informazioni fluiscono attraverso queste reti, forse potremmo capire perché facciamo quello che facciamo".
- Circa dieci anni fa hai scritto un saggio "How to Think". Da allora, hai avuto modifiche o aggiunte a queste regole?
“Ho scritto questo saggio abbastanza velocemente quando abbiamo avviato il gruppo di ricerca al MIT e ho trascorso la maggior parte del mio tempo in una stanza vuota in attesa che arrivasse l'attrezzatura. Da allora, attraverso l'esperienza, ho imparato a seguire al meglio queste regole. Ad esempio, la regola n. 3 dice: "Lavora a ritroso dal tuo obiettivo".
Da quel momento ho capito che se lavori partendo da un problema che ha bisogno di essere risolto, e incontri persone che hanno delle competenze e che procedono dalle loro capacità, allora sarà molto facile per te lavorare insieme, perché tutte le parti sono in interessato a questo. I titolari di abilità vogliono più influenza e capacità di risoluzione dei problemi, e coloro che stabiliscono gli obiettivi vogliono nuovi strumenti per risolvere questi problemi. Pertanto, la regola n. 3, "Lavora a ritroso, partendo dal tuo obiettivo" porta naturalmente alla regola n. 6 - "Collabora". Ho anche imparato ad analizzare la natura dei problemi. Quest'anno ho tenuto una breve conferenza al World Economic Forum di Davos. Si chiamava Preparing a Revolution e parlava di come imparare ad approfondire i problemi e rendere possibili soluzioni. Era qualcosa come How to Think 2.0, ma sotto forma di un video.
- Quali libri hanno influenzato maggiormente il tuo sviluppo intellettuale?
- Uno di questi è "Time, Love, Memory" di Jonathan Weiner. Parla dei tempi in cui le persone hanno iniziato ad associare i geni alle caratteristiche del comportamento. L'autore inizia con l'alba dell'era della genetica - quando le persone hanno scoperto che i raggi X cambiano i geni - e finisce con la modernità, quando gli scienziati scoprono quali geni sono responsabili, ad esempio, del nostro senso del tempo o della capacità di ricordare. Amo questo libro perché mostra la scienza in movimento - non come un libro di testo, "hai fatti dal sette al quarantottesimo, ricordali" - mostra persone che soffrono di incertezza che superano tutti i tipi di difficoltà, ed è molto eccitante. Lo rileggevo ogni anno e mi ha influenzato molto.
Il secondo libro si chiama Thinking About Science. Parla di Max Delbrück, un fisico che ha anche cambiato il suo campo di attività in biologia. Ha dato un grande contributo alla scoperta della struttura dei geni e ha contribuito ad avviare una nuova era nella biologia molecolare. Il libro racconta molto delle sue opinioni, di come ha contemplato la sua transizione dalla fisica alla biologia. Questo libro ha anche influenzato molto la mia vita, perché spesso penso a come esplorare sistemi complessi come il cervello, a come capire il reale stato delle cose, a come sbarazzarmi dell'approssimazione e non fermarmi a metà strada.
- Hai detto che prendi costantemente appunti. Cos'è questo sistema?
- Quando parlo con qualcuno, metto la carta sul tavolo e faccio un riassunto della conversazione. Alla fine scatto le foto degli appunti sul cellulare e do il foglio al mio interlocutore. Ogni mese esamino tutte queste sinossi e le etichetto con parole chiave. Ci sono due ragioni per questo. In primo luogo, poiché ho re-digerito la conversazione, mi aiuta a ricordarla. In secondo luogo, poiché ho scelto le parole chiave, è facile trovarlo. Ad oggi, ho già completato decine di migliaia di tali note.
- Il tuo lavoro suggerisce che passi molto tempo a pensare. Come ottenere i massimi risultati?
- Ci sono tre punti, dal pragmatico all'astratto. Mi alzo molto presto da molto tempo. Cerco di alzarmi alle 4-5 del mattino, molto prima degli altri collaboratori del laboratorio. Grazie a questo ho qualche ora di silenzio per pensare e non farmi distrarre da nulla. Penso che questo sia importante. In secondo luogo, molte buone idee sono in realtà cattive, perché dal momento che suonano immediatamente così bene, allora tutti ci hanno già pensato e si sforzano di implementarle. Pertanto, penso spesso a cose che a prima vista sembrano cattive idee, ma all'improvviso, se le guardi dalla giusta angolazione, risultano buone? Passo molto tempo cercando di avvicinarmi alle idee da diverse angolazioni.
Decenni fa, l'astronomo Fritz Zwicky creò molte teorie che sono tra le più scottanti dell'astrofisica odierna. La più rilevante delle idee attuali, come la materia oscura, ha avanzato negli anni '30. Come ha fatto Zwicky a farlo? Ha solo considerato tutte le opzioni possibili. Zwicky chiamava il suo metodo "analisi morfologica", ma mi sembra che questo sia impossibile da pronunciare, quindi lo chiamo "schema ad albero a mosaico".
Infine - e questo punto è ancora più astratto - credo nelle scoperte casuali. Passo molto tempo a leggere le trascrizioni di vecchie conversazioni. Molti di loro riguardano idee che hanno fallito, progetti hanno fallito. Ma sai cosa? Era cinque anni fa, e ora i computer funzionano più velocemente, sono apparse nuove informazioni, il mondo è cambiato. Pertanto, possiamo riavviare il progetto. Molti dei nostri sforzi hanno pieno successo solo al secondo o terzo tentativo. Una parte importante del mio lavoro è ricordare i fallimenti e rilanciare i progetti falliti quando sarà il momento.
- Hai ricevuto i tuoi premi principali per la ricerca in optogenetica. Perché è diventata un risultato così importante?
“Quando parli di optogenetica, dobbiamo ricordare che“opto”significa“luce”e“genetica”significa che usiamo geni che fanno tutto il lavoro. Introduci un gene che funziona come una piccola cella solare, essenzialmente una molecola che converte la luce in elettricità. Pertanto, se lo introduci in un neurone e lo dirigi verso la luce, puoi controllare l'attività del neurone.
Perché è importante? Negli ultimi cento anni di studio della neurologia, molte persone hanno cercato di controllare i neuroni utilizzando tutte le tecnologie possibili: farmacologia (farmaci), impulsi elettrici e così via. Ma nessuno di loro garantisce l'accuratezza. Con l'optogenetica, possiamo dirigere la luce su una o più cellule e "accendere" o "spegnere" queste particolari cellule. Quindi perchè è importante? Se puoi attivare le celle, puoi capire di cosa sono responsabili. Forse per una sensazione, o una decisione, o un movimento. “Spegnendole” capisci qual è la loro funzione: forse “spegni” certe cellule e una persona perderà qualche tipo di memoria.
- L'optogenetica è oggi utilizzata per la ricerca sul cervello nei laboratori di tutto il mondo. Quali sono gli ambiti più promettenti ad esso correlati, evidenzia?
- Alcuni ricercatori stanno conducendo esperimenti che sono piuttosto impegnativi da un punto di vista filosofico. Ad esempio, un gruppo di scienziati del California Institute of Technology ha scoperto un piccolo raggruppamento di cellule nel profondo del cervello. Se li attivi con l'aiuto della luce, ad esempio, nei topi (molti lavorano con loro), gli animali diventeranno aggressivi, persino crudeli. Attaccheranno qualsiasi creatura o oggetto nelle immediate vicinanze, anche alcune cose casuali come un guanto. Questo è molto interessante perché ora puoi porre domande della serie “Cosa succede quando irriti queste cellule? Questo invia un comando motorio ai muscoli? In altre parole, il mouse si sposta per attaccare? O è un comando sensoriale?
Cioè, il topo ha paura e attacca per legittima difesa? Puoi porre domande davvero importanti sul significato dell'esperimento quando una parte del cervello innesca una reazione complessa come l'aggressività o la crudeltà.
Ci sono un certo numero di ricercatori che stanno lavorando per attivare o silenziare l'attività neurale in diverse parti del cervello per scopi medici. Ad esempio, un gruppo di scienziati, che ha dimostrato nei topi affetti da epilessia, che è possibile "spegnere" le crisi agendo su determinate cellule. Ci sono altri gruppi che hanno studiato i topi con la malattia di Parkinson e sono stati in grado di liberare gli animali dai sintomi della malattia.
Gli scienziati stanno anche scoprendo molte cose interessanti nelle scienze fondamentali. La mia collega del MIT Suzumi Tonegawa e il suo gruppo di ricerca hanno fatto qualcosa di molto intelligente: hanno programmato i topi in modo che i neuroni responsabili della memoria fossero attivati dalla luce. Hanno scoperto che se riattivi questi neuroni con un impulso di luce, il topo si comporterà come se stesse rivivendo un ricordo. In questo modo è possibile identificare i gruppi di celle che fanno apparire il ricordo nella memoria. Da allora, i ricercatori hanno condotto tutti i tipi di esperimenti: ad esempio, possono attivare un ricordo felice e un topo si sentirà meglio, anche se è malato. E l'elenco potrebbe continuare all'infinito.
"Molti dei nostri sforzi ottengono un discreto successo solo al secondo o terzo tentativo".
- Hai nuovi pensieri su come migliorare la vita?
“Mi sono reso conto che se voglio davvero che le tecnologie del cervello vengano applicate in tutto il mondo, allora devo promuoverlo come imprenditore, cioè avviare un'impresa e aiutare queste invenzioni ad andare oltre i circoli accademici. Il mio laboratorio ha già collaborato con diverse aziende, ma quest'anno anch'io partecipo al lancio di tre. Speriamo di poter capire come queste tecnologie possono aiutare le persone. Mi sono reso conto che non volevo solo pubblicare articoli scientifici; Voglio che queste tecnologie vengano utilizzate nella vita reale.
“Una di queste aziende si occupa di tecnologia di potenziamento del cervello, non è vero?
-Esattamente. Abbiamo fondato una piccola azienda chiamata Expansion Technologies per istruire il mondo su queste teorie sull'empowerment. Certo, le persone possono studiare in modo indipendente le nostre pubblicazioni su questo argomento, ma se possiamo portare le nostre idee alle masse, allora molti problemi scientifici e medici saranno molto più facili da risolvere.
Devo dire subito che tutti i dati della ricerca si possono trovare online, condividiamo apertamente tutte le informazioni. Abbiamo formato oltre cento gruppi di ricercatori. Se lo si desidera, chiunque può condurre personalmente un'indagine microscopica simile. Ma a differenza dell'optogenetica, dove ci si può sempre rivolgere a qualche onlus per ottenere il DNA gratuitamente o per denaro, questa ricerca richiede la disponibilità di sostanze chimiche, quindi un'azienda che mette a disposizione di chiunque i kit dei reagenti necessari fa risparmiare tempo.
Cerchiamo sempre di aumentare l'impatto positivo sul mondo. Spesso iniziamo un progetto pensando: "Di quale problema soffrono migliaia di ricercatori, aziende e università?" E poi proviamo a creare uno strumento che possa aiutarli. Quindi, se ci riusciamo, allora (praticamente per definizione) non ha senso tenerlo segreto e per noi stessi. Stiamo solo cercando di condividere i nostri strumenti con quante più persone possibile.
