211service.com
De codes van de hersenen kraken
Hoe spreken de hersenen tegen zichzelf? 17 juni 2014
In Wat is leven? (1944) was een van de fundamentele vragen die de natuurkundige Erwin Schrödinger stelde, of er een soort erfelijk code-script was ingebed in chromosomen. Een decennium later beantwoordden Crick en Watson de vraag van Schrödinger bevestigend. Genetische informatie werd opgeslagen in de eenvoudige rangschikking van nucleotiden langs lange DNA-strengen.
De vraag was wat al die strengen DNA betekenden. Zoals de meeste schoolkinderen nu weten, zat er een code in: aangrenzende trio's van nucleotiden, zogenaamde codons, worden van DNA getranscribeerd in tijdelijke sequenties van RNA-moleculen, die worden vertaald in de lange ketens van aminozuren die we kennen als eiwitten. Het kraken van die code bleek een spil te zijn van vrijwel alles wat volgde in de moleculaire biologie. De code voor het vertalen van trio's van nucleotiden naar aminozuren (bijvoorbeeld de nucleotiden AAG-code voor het aminozuur lysine) bleek namelijk universeel te zijn; cellen in alle organismen, groot of klein - bacteriën, mammoetbomen, honden en mensen - gebruiken dezelfde code met kleine variaties. Zal de neurowetenschap ooit iets van dezelfde schoonheid en kracht ontdekken, een hoofdcode die ons in staat stelt elk patroon van neurale activiteit naar believen te interpreteren?
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van juli 2014
- Zie de rest van het nummer
- Abonneren
Op het spel staat vrijwel elke radicale vooruitgang in de neurowetenschappen die we ons kunnen voorstellen - hersenimplantaten die ons geheugen verbeteren of psychische stoornissen zoals schizofrenie en depressie behandelen, bijvoorbeeld, en neuroprotheses waarmee verlamde patiënten hun ledematen kunnen bewegen. Omdat alles wat je denkt, onthoudt en voelt op de een of andere manier in je hersenen is gecodeerd, zal het ontcijferen van de activiteit van de hersenen een gigantische stap zijn in de richting van de toekomst van neuro-engineering.
Op een dag zal elektronica die rechtstreeks in de hersenen wordt geïmplanteerd, patiënten met een dwarslaesie in staat stellen de aangetaste zenuwen te omzeilen en robots met hun gedachten te besturen (zie Het gedachte-experiment). Toekomstige biofeedback-systemen kunnen mogelijk zelfs anticiperen op tekenen van psychische stoornissen en ze afwenden. Waar mensen tegenwoordig toetsenborden en aanraakschermen gebruiken, kunnen onze nakomelingen over honderd jaar directe brein-machine-interfaces gebruiken.
Maar om dat te doen - om software te bouwen die rechtstreeks met de hersenen kan communiceren - moeten we de codes ervan kraken. We moeten leren kijken naar sets neuronen, meten hoe ze vuren en hun boodschap reverse-engineeren.
Een chaos van codes
We beginnen al aanwijzingen te ontdekken over hoe de codering van de hersenen werkt. Misschien wel de meest fundamentele: behalve bij enkele van de kleinste wezens, zoals de rondworm C. elegans , de basiseenheid van neuronale communicatie en codering is de piek (of actiepotentiaal), een elektrische impuls van ongeveer een tiende volt die iets minder dan een milliseconde duurt. In het visuele systeem worden bijvoorbeeld lichtstralen die het netvlies binnenkomen onmiddellijk omgezet in spikes die naar de oogzenuw worden gestuurd, de bundel van ongeveer een miljoen uitgangsdraden, axonen genaamd, die van het oog naar de rest van de hersenen lopen. Letterlijk alles wat je ziet is gebaseerd op deze pieken, waarbij elk netvliesneuron met een andere snelheid afvuurt, afhankelijk van de aard van de stimulus, om meerdere megabytes aan visuele informatie per seconde op te leveren. Het brein als geheel, gedurende ons hele wakkere leven, is een ware symfonie van neurale pieken - misschien een biljoen per seconde. Voor een groot deel is het ontcijferen van de hersenen het afleiden van de betekenis van de spikes.
Maar de uitdaging is dat spikes verschillende dingen betekenen in verschillende contexten. Het is al duidelijk dat neurowetenschappers waarschijnlijk niet zoveel geluk zullen hebben als moleculair biologen. Terwijl de code die nucleotiden omzet in aminozuren bijna universeel is en in wezen op dezelfde manier door het hele lichaam en in de hele natuurlijke wereld wordt gebruikt, is de spike-naar-informatiecode waarschijnlijk een mengelmoes: niet slechts één code, maar vele, niet verschillend slechts tot op zekere hoogte tussen verschillende soorten, maar zelfs tussen verschillende delen van de hersenen. De hersenen hebben vele functies, van het beheersen van onze spieren en stem tot het interpreteren van de bezienswaardigheden, geluiden en geuren die ons omringen, en elk soort probleem heeft zijn eigen soorten codes nodig.
Een vergelijking met computercodes maakt duidelijk waarom dit te verwachten is. Denk aan de bijna alomtegenwoordige ASCII-code die de 128 tekens vertegenwoordigt, inclusief cijfers en alfanumerieke tekst, die worden gebruikt in communicatie zoals e-mail in platte tekst. Bijna elke moderne computer gebruikt ASCII, dat de hoofdletter A codeert als 100 0001, B als 100 0010, C als 100 0011, enzovoort. Als het echter om afbeeldingen gaat, is die code nutteloos en moeten er andere technieken worden gebruikt. Niet-gecomprimeerde bitmapafbeeldingen wijzen bijvoorbeeld reeksen bytes toe om de intensiteiten van de kleuren rood, groen en blauw weer te geven voor elke pixel in de array waaruit een afbeelding bestaat. Verschillende codes vertegenwoordigen vectorafbeeldingen, films of geluidsbestanden.
Enkele van de belangrijkste codes in de hersenen van een dier zijn de codes die het gebruikt om zijn locatie in de ruimte te bepalen. Hoe werkt onze eigen interne GPS? Hoe coderen patronen van neurale activiteit waar we zijn als we ons verplaatsen?
Bewijs wijst in dezelfde richting voor de hersenen. In plaats van een enkele universele code die aangeeft wat de patronen van spikes betekenen, lijken er veel te zijn, afhankelijk van het soort informatie dat moet worden gecodeerd. Geluiden zijn bijvoorbeeld inherent eendimensionaal en variëren snel in de tijd, terwijl de beelden die van het netvlies stromen tweedimensionaal zijn en de neiging hebben om in een meer doelbewust tempo te veranderen. Reukzin, die afhankelijk is van concentraties van honderden geurstoffen in de lucht, is volledig afhankelijk van een ander systeem. Dat gezegd hebbende, zijn er enkele algemene principes. Het belangrijkste is niet precies wanneer een bepaald neuron piekt, maar hoe vaak; de snelheid van schieten is de belangrijkste valuta.
Denk bijvoorbeeld aan neuronen in de visuele cortex, het gebied dat via een relais in de thalamus impulsen van de oogzenuw ontvangt. Deze neuronen vertegenwoordigen de wereld in termen van de basiselementen waaruit een visuele scène bestaat: lijnen, punten, randen, enzovoort. Een bepaald neuron in de visuele cortex kan het krachtigst worden gestimuleerd door verticale lijnen. Terwijl de lijn wordt geroteerd, varieert de snelheid waarmee dat neuron vuurt: vier pieken in een tiende van een seconde als de lijn verticaal is, maar misschien slechts één keer in hetzelfde interval als deze 45° tegen de klok in wordt gedraaid. Hoewel het neuron het meest reageert op verticale lijnen, is het nooit stom. Geen enkele piek geeft aan of het reageert op een verticale lijn of iets anders. Alleen in het totaal - in de snelheid van het vuren van het neuron in de tijd - kan de betekenis van zijn activiteit worden onderscheiden.
Deze strategie, bekend als snelheidscodering, wordt op verschillende manieren gebruikt in verschillende hersensystemen, maar is gebruikelijk in de hele hersenen. Verschillende subpopulaties van neuronen coderen bepaalde aspecten van de wereld op een vergelijkbare manier - met behulp van vuursnelheden om variaties in helderheid, snelheid, afstand, oriëntatie, kleur, toonhoogte en zelfs haptische informatie weer te geven, zoals de positie van een speldenprik op de palm van je hand . Individuele neuronen vuren het snelst wanneer ze een bepaalde gewenste stimulus detecteren, minder snel wanneer ze dat niet doen.
Om het nog ingewikkelder te maken, coderen spikes die uit verschillende soorten cellen komen, verschillende soorten informatie. Het netvlies is een ingewikkeld gelaagd stuk weefsel van het zenuwstelsel dat langs de achterkant van elk oog loopt. Het is zijn taak om de regen van binnenkomende fotonen om te zetten in uitgaande uitbarstingen van elektrische pieken. Neuro-anatomisten hebben ten minste 60 verschillende soorten retinale neuronen geïdentificeerd, elk met zijn eigen gespecialiseerde vorm en functie. De axonen van 20 verschillende retinale celtypen vormen de oogzenuw, de enige uitgang van het oog. Sommige van deze cellen signaleren beweging in verschillende windrichtingen; anderen zijn gespecialiseerd in het signaleren van algehele beeldhelderheid of lokaal contrast; weer anderen dragen informatie met betrekking tot kleur. Elk van deze populaties streamt zijn eigen gegevens, parallel, naar verschillende verwerkingscentra stroomopwaarts van het oog. Om de aard van de informatie die het netvlies codeert te reconstrueren, moeten wetenschappers niet alleen de snelheid van de pieken van elk neuron volgen, maar ook de identiteit van elk celtype. Vier spikes die uit één type cel komen, kunnen coderen voor een kleine gekleurde klodder, terwijl vier spikes van een ander celtype kunnen coderen voor een bewegend grijs patroon. Het aantal spikes is zinloos, tenzij we weten uit welk soort cel ze komen.
En wat waar is voor het netvlies lijkt door de hele hersenen te gelden. Al met al kunnen er tot duizend neuronale celtypen in het menselijk brein zijn, elk vermoedelijk met zijn eigen unieke rol.
Wijsheid van de menigte
Doorgaans hebben belangrijke codes in de hersenen betrekking op de werking van veel neuronen, niet slechts één. Het zien van een gezicht veroorzaakt bijvoorbeeld activiteit in duizenden neuronen in hogere-orde sectoren van de visuele cortex. Elke cel reageert enigszins anders, reageert op een ander detail - de exacte vorm van het gezicht, de tint van de huid, de richting waarin de ogen zijn gericht, enzovoort. De grotere betekenis is inherent aan de collectieve reactie van de cellen.
Een belangrijke doorbraak in het begrijpen van dit fenomeen, bekend als populatiecodering, kwam in 1986, toen Apostolos Georgopoulos, Andrew Schwartz en Ronald Kettner van de Johns Hopkins University School of Medicine ontdekten hoe een reeks neuronen in de motorische cortex van apen de richting codeerde waarin een aap een ledemaat beweegt. Geen enkel neuron bepaalde volledig waar het ledemaat zou bewegen, maar informatie verzameld over een populatie van neuronen deed dat wel. Door een soort gewogen gemiddelde te berekenen van alle neuronen die vuurden, ontdekten Georgopoulos en zijn collega's, konden ze betrouwbaar en nauwkeurig de beoogde beweging van de arm van de aap afleiden.
Een van de eerste illustraties van wat neurotechnologie ooit zou kunnen bereiken, bouwt rechtstreeks voort op deze ontdekking. Neurowetenschapper John Donoghue van de Brown University heeft het idee van populatiecodering gebruikt om neurale decoders te bouwen - met zowel software als elektroden - die neuraal vuren in realtime interpreteren. Het team van Donoghue implanteerde een borstelachtige reeks micro-elektroden rechtstreeks in de motorische cortex van een verlamde patiënt om neurale activiteit vast te leggen terwijl de patiënt zich verschillende soorten motorische activiteiten voorstelde. Met behulp van algoritmen die deze signalen interpreteerden, kon de patiënt de resultaten gebruiken om een robotarm te besturen. De mind control van de robotarm is nog steeds traag en onhandig, vergelijkbaar met het besturen van een uit de lijn lopende verhuiswagen. Maar het werk is een krachtige hint van wat komen gaat als ons vermogen om de activiteit van de hersenen te decoderen verbetert.
Een van de belangrijkste codes in de hersenen van een dier zijn de codes die het gebruikt om zijn locatie in de ruimte te bepalen. Hoe werkt onze eigen interne GPS? Hoe coderen patronen van neurale activiteit waar we zijn? Een eerste belangrijke hint kwam in het begin van de jaren zeventig met de ontdekking door John O'Keefe van het University College in Londen van wat bekend werd als plaatscellen in de hippocampus van ratten. Dergelijke cellen vuren elke keer dat het dier door een bepaald deel van een vertrouwde omgeving loopt of loopt. In het laboratorium kan een cel op één plaats het vaakst vuren wanneer het dier zich in de buurt van het vertakkingspunt van een doolhof bevindt; een ander kan het meest actief reageren wanneer het dier zich dicht bij het toegangspunt bevindt. Het man-en-vrouw-team van Edward en May-Britt Moser ontdekte een tweede type ruimtelijke codering op basis van zogenaamde rastercellen. Deze neuronen vuren het meest actief wanneer een dier zich op de hoekpunten bevindt van een ingebeeld geometrisch raster dat zijn omgeving vertegenwoordigt. Met sets van dergelijke cellen kan het dier zijn positie bepalen, zelfs in het donker. (Er lijken ten minste vier verschillende sets van deze rastercellen te zijn met verschillende resoluties, waardoor een fijne mate van ruimtelijke weergave mogelijk is.)
Met andere codes kunnen dieren acties controleren die in de loop van de tijd plaatsvinden. Een voorbeeld is de schakeling die verantwoordelijk is voor het uitvoeren van de motorische sequenties die ten grondslag liggen aan het zingen bij zangvogels. Volwassen mannelijke vinken zingen voor hun vrouwelijke partners, waarbij elk stereotiep lied slechts een paar seconden duurt. Zoals Michale Fee en zijn medewerkers aan het MIT ontdekten, zijn neuronen van één type binnen een bepaalde structuur volledig stil totdat de vogel begint te zingen. Telkens wanneer de vogel een bepaald punt in zijn zang bereikt, barsten deze neuronen plotseling uit in een enkele uitbarsting van drie tot vijf strak geclusterde punten, om vervolgens weer stil te worden. Verschillende neuronen barsten op verschillende tijdstippen uit. Het lijkt erop dat individuele clusters van neuronen coderen voor temporele volgorde, die elk een specifiek moment in het lied van de vogel vertegenwoordigen.
Oma Codering
In tegenstelling tot een typemachine, waarbij een enkele sleutel elke letter op unieke wijze specificeert, gebruikt de ASCII-code meerdere bits om een letter te bepalen: het is een voorbeeld van wat computerwetenschappers een gedistribueerde code noemen. Op een vergelijkbare manier hebben theoretici zich vaak voorgesteld dat complexe concepten bundels van individuele kenmerken zouden kunnen zijn; het concept Berner Sennenhond kan worden weergegeven door neuronen die vuren als reactie op begrippen als hond, sneeuwminnend, vriendelijk, groot, bruin en zwart, enzovoort, terwijl veel andere neuronen, zoals die welke reageren op voertuigen of katten , niet schieten. Gezamenlijk zou deze grote populatie van neuronen een concept kunnen vertegenwoordigen.
Er is enige reden tot hoop. Optogenetica stelt onderzoekers nu in staat om genetisch geïdentificeerde klassen van neuronen naar believen in en uit te schakelen met gekleurde lichtstralen. Het zou het zoeken naar codes aanzienlijk kunnen versnellen.
Een alternatief begrip, sparse codering genaamd, heeft veel minder aandacht gekregen. Inderdaad, neurowetenschappers minachtten ooit het idee als grootmoedercelcodering. De spottende term impliceerde een hypothetisch neuron dat alleen zou vuren als de drager ervan zijn of haar grootmoeder zag of dacht - het leek toch zeker, of zo leek het, een belachelijk concept.
Maar onlangs heeft een van ons (Koch) geholpen bij het ontdekken van bewijs voor een variatie op dit thema. Hoewel er geen reden is om te denken dat een enkel neuron in je hersenen je grootmoeder vertegenwoordigt, weten we nu dat individuele neuronen (of in ieder geval relatief kleine groepen daarvan) bepaalde concepten met grote specificiteit kunnen vertegenwoordigen. Opnamen van micro-elektroden die diep in de hersenen van epileptische patiënten waren geïmplanteerd, onthulden afzonderlijke neuronen die reageerden op extreem specifieke stimuli, zoals beroemdheden of bekende gezichten. Zo reageerde zo'n cel bijvoorbeeld op verschillende foto's van actrice Jennifer Aniston. Anderen reageerden op foto's van Luke Skywalker van Star Wars roem, of zijn naam gespeld. Een bekende naam kan worden vertegenwoordigd door slechts honderd en wel een miljoen neuronen in de menselijke hippocampus en aangrenzende regio's.
Dergelijke bevindingen suggereren dat de hersenen inderdaad kleine groepen neuronen kunnen verbinden om belangrijke dingen te coderen die ze keer op keer tegenkomen, een soort neuronale steno die voordelig kan zijn voor het snel associëren en integreren van nieuwe feiten met reeds bestaande kennis.
Onbekend land
Als de neurowetenschap echte vooruitgang heeft geboekt bij het uitzoeken hoe een bepaald organisme codeert voor wat het op een bepaald moment ervaart, moet het verder gaan om te begrijpen hoe organismen hun langetermijnkennis coderen. We zouden natuurlijk niet lang in deze wereld overleven als we geen nieuwe vaardigheden zouden kunnen leren, zoals de georkestreerde opeenvolging van acties en beslissingen die bij het autorijden horen. Toch blijft de precieze methode waarmee we dit doen mysterieus. Spikes zijn nodig, maar niet voldoende om intentie om te zetten in actie. Het langetermijngeheugen - net als de kennis die we ontwikkelen naarmate we een vaardigheid verwerven - wordt anders gecodeerd, niet door salvo's van constant circulerende pieken, maar eerder door letterlijke herbedrading van onze neurale netwerken.
Die herbedrading wordt op zijn minst gedeeltelijk bereikt door de synapsen die neuronen verbinden, opnieuw te vormen. We weten dat er veel verschillende moleculaire processen bij betrokken zijn, maar we weten nog steeds weinig over welke synapsen worden gewijzigd en wanneer, en bijna niets over hoe terug te werken van een neuraal connectiviteitsdiagram naar de specifieke gecodeerde herinneringen.
Een ander mysterie betreft hoe de hersenen zinnen en zinnen voorstellen. Zelfs als er een klein aantal neuronen is dat een concept definieert zoals je grootmoeder, is het onwaarschijnlijk dat je hersenen specifieke sets neuronen hebben toegewezen aan complexe concepten die minder vaak voorkomen maar toch onmiddellijk begrijpelijk zijn, zoals de grootmoeder van moederskant van Barack Obama. Het is even onwaarschijnlijk dat de hersenen bepaalde neuronen fulltime wijden aan het weergeven van elke nieuwe zin die we horen of produceren. In plaats daarvan integreert het brein elke keer dat we een nieuwe zin interpreteren of produceren waarschijnlijk meerdere neurale populaties, waarbij codes voor basiselementen (zoals individuele woorden en concepten) worden gecombineerd tot een systeem voor het representeren van complexe, combinatorische gehelen. We hebben nog geen idee hoe dit tot stand komt.
Een van de redenen waarom dergelijke vragen over de schema's van de hersenen voor het coderen van informatie zo moeilijk te kraken zijn gebleken, is dat het menselijk brein zo immens complex is en 86 miljard neuronen omvat die verbonden zijn door iets in de orde van grootte van een quadriljoen synaptische verbindingen. Een andere is dat onze observatietechnieken grof blijven. De meest populaire beeldvormingstools om in het menselijk brein te kijken, hebben niet de ruimtelijke resolutie om individuele neuronen te vangen tijdens het vuren. Om neurale coderingssystemen te bestuderen die uniek zijn voor mensen, zoals die in taal worden gebruikt, hebben we waarschijnlijk hulpmiddelen nodig die nog niet zijn uitgevonden, of op zijn minst aanzienlijk betere manieren om sterk verspreide populaties van individuele neuronen in de levende hersenen te bestuderen.
Het is ook vermeldenswaard dat wat neuro-ingenieurs proberen te doen een beetje lijkt op afluisteren - in de eigen interne communicatie van de hersenen aftappen om te proberen erachter te komen wat ze bedoelen. Een deel van dat afluisteren kan ons misleiden. Elke neurale code die we kunnen kraken, zal ons iets vertellen over hoe de hersenen werken, maar niet elke code die we kraken is iets waar de hersenen zelf direct gebruik van maken. Sommigen van hen kunnen epifenomenen zijn - toevallige tics die, zelfs als ze nuttig zijn voor technische en klinische toepassingen, een afleiding kunnen zijn op de weg naar een volledig begrip van de hersenen.
Desalniettemin is er reden om optimistisch te zijn dat we op weg zijn naar dat inzicht. Optogenetica stelt onderzoekers nu in staat om genetisch geïdentificeerde klassen van neuronen naar believen in en uit te schakelen met gekleurde lichtstralen. Elke populatie van neuronen die een bekende, unieke moleculaire postcode heeft, kan worden getagd met een fluorescerende marker en vervolgens met een milliseconde precisie laten pieken of voorkomen dat ze pieken. Hierdoor kunnen neurowetenschappers overstappen van het observeren van neuronale activiteit naar het subtiel, tijdelijk en omkeerbaar verstoren ervan. Optogenetica, nu voornamelijk gebruikt bij vliegen en muizen, zal het zoeken naar neurale codes enorm versnellen. In plaats van alleen spiking-patronen te correleren met een gedrag, zullen onderzoekers in staat zijn om in informatiepatronen te schrijven en de effecten op de hersencircuits en het gedrag van levende dieren rechtstreeks te bestuderen. Het ontcijferen van neurale codes is slechts een deel van de strijd. Het kraken van de vele codes van de hersenen zal ons niet alles vertellen wat we willen weten, net zomin als het begrijpen van ASCII-codes ons op zichzelf kan vertellen hoe een tekstverwerker werkt. Toch is het een essentiële voorwaarde voor het bouwen van technologieën die de hersenen repareren en verbeteren.
Neem bijvoorbeeld nieuwe pogingen om optogenetica te gebruiken om een vorm van blindheid te verhelpen die wordt veroorzaakt door degeneratieve aandoeningen, zoals retinitis pigmentosa, die de lichtgevoelige cellen van het oog aantasten. Een veelbelovende strategie maakt gebruik van een virus dat in de oogbollen wordt geïnjecteerd om retinale ganglioncellen genetisch te modificeren, zodat ze reageren op licht. Een camera gemonteerd op een bril zou lichtstralen in het netvlies pulseren en elektrische activiteit in de genetisch gemodificeerde cellen teweegbrengen, wat direct de volgende reeks neuronen in het signaalpad zou stimuleren - het zicht herstellen. Maar om dit te laten werken, zullen wetenschappers de taal van die neuronen moeten leren. Als we leren communiceren met het brein in zijn eigen taal, kunnen er binnenkort hele nieuwe werelden van mogelijkheden ontstaan.
Christof Koch is Chief Scientific Officer van het Allen Institute for Brain Science in Seattle. Gary Marcus, hoogleraar psychologie aan de New York University en een frequente blogger voor de New Yorker , is mederedacteur van het komende boek De toekomst van de hersenen.