Tech

วิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ล้มเหลวในการไขความลึกลับของสมองมนุษย์ได้อย่างไร

ในเดือนกันยายน 2011 กลุ่มนักประสาทวิทยาและนักนาโนศาสตร์ได้รวมตัวกันที่นิคมงดงามในชนบทของอังกฤษเพื่อเข้าร่วมการประชุมสัมมนาที่มุ่งนำทั้งสองสาขามารวมกัน

ในการประชุม นักประสาทวิทยาจากมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย ราฟาเอล ยูสเต และจอร์จ เชิร์ช นักพันธุศาสตร์ของฮาร์วาร์ด ได้เสนอข้อเสนอที่ไม่ซับซ้อน: เพื่อทำแผนที่กิจกรรมของสมองมนุษย์ทั้งหมดในระดับของเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์และให้รายละเอียดว่าอย่างไร เซลล์เหล่านั้นก่อตัวเป็นวงจร ความรู้ดังกล่าวสามารถใช้รักษาความผิดปกติของสมอง เช่น โรคอัลไซเมอร์ ออทิสติก โรคจิตเภท โรคซึมเศร้า และอาการบาดเจ็บที่สมอง และมันจะช่วยตอบคำถามสำคัญทางวิทยาศาสตร์ข้อหนึ่ง: สมองทำให้เกิดสติได้อย่างไร?

The Mind issue

เรื่องนี้เป็นส่วนหนึ่งของฉบับกันยายน 2021

Yuste, Church และเพื่อนร่วมงานของพวกเขาร่างข้อเสนอที่จะ ตีพิมพ์ในวารสาร Neuron ในภายหลัง . ความทะเยอทะยานของพวกเขานั้นสุดโต่ง: “โครงการ Brain Activity Map ซึ่งเป็นโครงการขนาดใหญ่และเป็นความพยายามสาธารณะในระดับสากล มุ่งสร้างบันทึกกิจกรรมของระบบประสาทในวงจรประสาทที่สมบูรณ์ขึ้นใหม่” เช่นเดียวกับโครงการจีโนมมนุษย์เมื่อสิบปีก่อน พวกเขาเขียนว่า โครงการสมองจะนำไปสู่ ​​“อุตสาหกรรมใหม่และการลงทุนเชิงพาณิชย์ทั้งหมด”

จำเป็นต้องมีเทคโนโลยีใหม่เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนั้น และนั่นคือสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์นาโนเข้ามา ในขณะนั้น นักวิจัยสามารถบันทึกกิจกรรมจากเซลล์ประสาทเพียงไม่กี่ร้อยเซลล์ในคราวเดียว แต่มีเซลล์ประสาทประมาณ 86 พันล้านเซลล์ ในสมองของมนุษย์ มันคล้ายกับ “ดูทีวีทีละพิกเซล” Yuste เล่า ในปี 2560 นักวิจัยได้เสนอเครื่องมือในการวัด “ทุกๆ เข็มจากเซลล์ประสาททุกอัน” เพื่อพยายามทำความเข้าใจว่าการยิงของเซลล์ประสาทเหล่านี้ทำให้เกิดความคิดที่ซับซ้อนได้อย่างไร

ข้อเสนอที่กล้าหาญนี้ทำให้รัฐบาลโอบามารู้สึกทึ่งและได้วางรากฐานสำหรับการวิจัยสมองเป็นเวลาหลายปี ผ่านการพัฒนานวัตกรรมทางระบบประสาท (BRAIN) Initiative ประกาศในเดือนเมษายน 2013 ประธานาธิบดีโอบามาเรียกมันว่า “โครงการต่อไปของอเมริกาที่ยิ่งใหญ่”

แต่มันไม่ใช่ครั้งแรกที่กล้าเสี่ยง อันที่จริง เมื่อไม่กี่ปีก่อน Henry Markram นักประสาทวิทยาที่ École Polytechnique Fédérale de Lausanne ในประเทศสวิสเซอร์แลนด์ ได้ตั้งเป้าหมายที่สูงกว่า: เพื่อสร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ของสมองมนุษย์ที่มีชีวิต Markram ต้องการสร้างแบบจำลองสามมิติแบบดิจิทัลอย่างสมบูรณ์ที่ความละเอียดของแต่ละเซลล์ โดยติดตามการเชื่อมต่อจำนวนมากของเซลล์เหล่านั้น “เราสามารถทำมันได้ภายใน 10 ปี” เขากล่าวระหว่าง 2009 TED talk

ในเดือนมกราคม 2013 ไม่กี่เดือนก่อนที่จะมีการประกาศโครงการในอเมริกา สหภาพยุโรปได้มอบรางวัลให้ Markram มูลค่า 1.3 พันล้านดอลลาร์เพื่อสร้างแบบจำลองสมองของเขา โครงการของสหรัฐฯ และสหภาพยุโรปได้จุดประกายความพยายามในการวิจัยขนาดใหญ่ที่คล้ายคลึงกันในประเทศต่างๆ เช่น ญี่ปุ่น ออสเตรเลีย แคนาดา จีน เกาหลีใต้ และอิสราเอล ยุคใหม่ของประสาทวิทยาศาสตร์ได้เริ่มต้นขึ้น

ความฝันที่เป็นไปไม่ได้?

หนึ่งทศวรรษต่อมา โครงการของสหรัฐฯ กำลังจะสิ้นสุดลง และโครงการของสหภาพยุโรปก็เผชิญกับ กำหนดเวลาในการสร้างสมองดิจิทัล แล้วมันเป็นอย่างไร? เราเริ่มไขความลับของสมองมนุษย์แล้วหรือยัง? หรือเราใช้เวลากว่าทศวรรษและหลายพันล้านดอลลาร์ในการไล่ตามวิสัยทัศน์ที่ยังคงเข้าใจยากเช่นเคย?

จากจุดเริ่มต้น ทั้งสองโครงการมีผู้วิจารณ์

นักวิทยาศาสตร์ของสหภาพยุโรปกังวลเกี่ยวกับค่าใช้จ่ายของโครงการ Markram และคิดว่ามันจะบีบการวิจัยด้านประสาทวิทยาอื่น ๆ และแม้แต่ในการประชุมครั้งแรกในปี 2011 ที่ Yuste และ Church ได้นำเสนอวิสัยทัศน์ที่ทะเยอทะยาน เพื่อนร่วมงานของพวกเขาหลายคนแย้งว่าเป็นไปไม่ได้เลยที่จะสร้างแผนที่การยิงที่ซับซ้อนของเซลล์ประสาทมนุษย์หลายพันล้านเซลล์ บางคนกล่าวว่าเป็นไปได้ แต่จะต้องใช้เงินมากเกินไปและสร้างข้อมูลมากกว่าที่นักวิจัยจะรู้ว่าต้องทำอย่างไร

ในบทความพองที่ปรากฏใน Scientific American ในปี 2013 Partha Mitra นักประสาทวิทยาที่ Cold Spring Harbor Laboratory เตือนถึง “ความอุดมสมบูรณ์อย่างไร้เหตุผล” ที่อยู่เบื้องหลังแผนที่กิจกรรมสมองและตั้งคำถามว่าเป้าหมายโดยรวมมีความหมายหรือไม่

ถึงแม้ว่าจะสามารถบันทึกเดือยทั้งหมดจากเซลล์ประสาททั้งหมดในคราวเดียวได้ เขาแย้งว่า ไม่มีสมองอยู่อย่างโดดเดี่ยว: เพื่อที่จะเชื่อมต่อจุดต่าง ๆ ได้อย่างเหมาะสม คุณจะต้องบันทึกสิ่งเร้าภายนอกที่ สมองได้รับเช่นเดียวกับพฤติกรรมของสิ่งมีชีวิต และเขาให้เหตุผลว่าเราต้องเข้าใจสมองในระดับมหภาค ก่อนที่จะพยายามถอดรหัสความหมายของการยิงของเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์

คนอื่น ๆ กังวลเกี่ยวกับผลกระทบของการรวมศูนย์การควบคุมในสาขาเหล่านี้ คอร์เนเลีย บาร์กมันน์ นักประสาทวิทยาแห่งมหาวิทยาลัยร็อคกี้เฟลเลอร์ กังวลว่างานวิจัยชิ้นนี้เป็นหัวหอกของนักวิจัยแต่ละคนจะล้นหลาม (ในไม่ช้า Bargmann ก็ถูกทาบทามให้ร่วมเป็นผู้นำคณะทำงานของ BRAIN Initiative)

มี ไม่ใช่ทฤษฎีเดียวที่ตกลงร่วมกันว่าสมองทำงานอย่างไร และไม่ใช่ทุกคนในภาคสนามที่เห็นด้วยว่าการสร้างสมองจำลองเป็นวิธีที่ดีที่สุดในการศึกษา

ในขณะที่โครงการริเริ่มของสหรัฐฯ ได้ขอข้อมูลจากนักวิทยาศาสตร์เพื่อเป็นแนวทางในการดำเนินโครงการ แต่โครงการของสหภาพยุโรป จากบนลงล่างอย่างแน่นอน โดยมี Markram เป็นผู้นำ แต่ตามที่โนอาห์ ฮัตตันทำเป็นเอกสารในภาพยนตร์ปี 2020 ของเขา ใน Silico แผนการอันยิ่งใหญ่ของ Markram ถูกเปิดเผยในไม่ช้า ในฐานะนักศึกษาระดับปริญญาตรีด้านประสาทวิทยา Hutton ได้รับมอบหมายให้อ่านเอกสารของ Markram และรู้สึกประทับใจกับข้อเสนอของเขาในการจำลองสมองของมนุษย์ เมื่อเขาเริ่มสร้างภาพยนตร์สารคดี เขาตัดสินใจที่จะบันทึกความพยายาม ในไม่ช้าเขาก็ตระหนักว่าองค์กรมูลค่าพันล้านดอลลาร์มีลักษณะการต่อสู้แบบประจัญบานและเปลี่ยนเป้าหมายมากกว่าวิทยาศาสตร์ที่ก้าวหน้า

ใน Silico แสดงให้เห็นว่า Markram เป็นผู้นำที่มีเสน่ห์ซึ่งจำเป็นต้องอ้างสิทธิ์อย่างกล้าหาญ เกี่ยวกับอนาคตของประสาทวิทยาศาสตร์เพื่อดึงดูดเงินทุนเพื่อดำเนินการตามวิสัยทัศน์เฉพาะของเขา แต่โครงการเริ่มมีปัญหาตั้งแต่เริ่มแรกด้วยประเด็นสำคัญ นั่นคือ ไม่มีทฤษฎีเดียวที่เห็นด้วยว่าการทำงานของสมองทำงานอย่างไร และไม่ใช่ทุกคนในภาคสนามที่เห็นด้วยว่าการสร้างสมองจำลองเป็นวิธีที่ดีที่สุดในการศึกษา ใช้เวลาไม่นานสำหรับความแตกต่างเหล่านั้นที่จะเกิดขึ้นในโครงการของสหภาพยุโรป

ในปี 2014 ผู้เชี่ยวชาญหลายร้อยคนทั่วยุโรปได้เขียนจดหมายกล่าวถึงความกังวลเกี่ยวกับการกำกับดูแล กลไกการระดมทุน และความโปร่งใสใน โครงการสมองมนุษย์. นักวิทยาศาสตร์รู้สึกว่าเป้าหมายของ Markram นั้นก่อนกำหนดและแคบเกินไป และจะไม่รวมเงินทุนสำหรับนักวิจัยที่แสวงหาวิธีอื่นๆ ในการศึกษาสมอง

“ สิ่งที่ฉันประทับใจคือถ้าเขาประสบความสำเร็จและเปิดใช้งานและสมองจำลองทำงาน คุณได้เรียนรู้อะไร” Terry Sejnowski นักประสาทวิทยาด้านการคำนวณที่สถาบัน Salk ซึ่งทำหน้าที่ในคณะกรรมการที่ปรึกษาโครงการ BRAIN Initiative บอกกับฉัน “การจำลองนั้นซับซ้อนพอๆ กับสมอง”

คณะกรรมการของ Human Brain Project ลงมติให้เปลี่ยนองค์กรและความเป็นผู้นำในต้นปี 2558 แทนที่คณะกรรมการบริหารสามคนที่นำโดย Markram ด้วยคณะกรรมการกำกับดูแล 22 คน คริสตอฟ เอเบลล์ ผู้ประกอบการชาวสวิสที่มีพื้นฐานด้านการทูตทางวิทยาศาสตร์ ได้รับการแต่งตั้งเป็นผู้อำนวยการบริหาร “ตอนที่ผมรับช่วงต่อ โปรเจ็กต์อยู่ในจุดวิกฤต” เขากล่าว “ผู้คนต่างสงสัยอย่างเปิดเผยว่าโครงการจะดำเนินต่อไปหรือไม่”

แต่ไม่กี่ปีต่อมา เขาก็ออกมาเช่นกัน หลังจาก “ความขัดแย้งเชิงกลยุทธ์” กับสถาบันเจ้าภาพของโครงการ ขณะนี้ โปรเจ็กต์มุ่งเน้นไปที่การจัดหาโครงสร้างพื้นฐานการวิจัยเชิงคำนวณแบบใหม่ เพื่อช่วยให้นักประสาทวิทยาจัดเก็บ ประมวลผล และวิเคราะห์ข้อมูลจำนวนมาก—การเก็บรวบรวมข้อมูลที่ไม่เป็นระบบเป็นปัญหาสำหรับภาคสนาม—และพัฒนาแผนที่สมอง 3 มิติและซอฟต์แวร์สำหรับการสร้างแบบจำลอง

โครงการ US BRAIN Initiative ได้ผ่านการเปลี่ยนแปลงไปเอง ในช่วงต้นปี 2014 ในการตอบสนองต่อข้อกังวลของนักวิทยาศาสตร์และยอมรับข้อจำกัดของสิ่งที่เป็นไปได้ จึงมีการพัฒนาไปสู่สิ่งที่เป็นประโยชน์มากขึ้นโดยเน้นที่ พัฒนาเทคโนโลยีตรวจสมอง

วันใหม่

การเปลี่ยนแปลงเหล่านั้นได้เริ่มก่อให้เกิดผลลัพธ์ในที่สุด แม้ว่าจะไม่ใช่สิ่งที่ผู้ก่อตั้งโครงการสมองขนาดใหญ่แต่ละโครงการคิดไว้แต่แรกก็ตาม

ปีที่แล้ว Human Brain Project ได้เผยแพร่ 3D digital แผนที่ที่ผสมผสานแง่มุมต่าง ๆ ของการจัดระเบียบสมองของมนุษย์ ที่ระดับมิลลิเมตรและไมโครเมตร โดยพื้นฐานแล้วมันคือ Google Earth สำหรับสมอง

และเมื่อต้นปีนี้ Alipasha Vaziri นักประสาทวิทยาที่ได้รับทุนสนับสนุนจาก BRAIN Initiative และทีมงานของเขาที่ Rockefeller University รายงานในเอกสารก่อนการพิมพ์ว่าได้บันทึกกิจกรรมของเซลล์ประสาทมากกว่าหนึ่งล้านเซลล์ทั่วเปลือกนอกของเมาส์ไปพร้อม ๆ กัน เป็นการบันทึกกิจกรรมเยื่อหุ้มสมองของสัตว์ที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยมีมา หากห่างไกลจากการฟังเซลล์ประสาททั้งหมด 86 พันล้านเซลล์ในสมองของมนุษย์ตามที่แผนที่กิจกรรมของสมองดั้งเดิมหวังไว้

ความพยายามของสหรัฐฯ ยังแสดงให้เห็นความคืบหน้าใน พยายามสร้างเครื่องมือใหม่ในการศึกษาสมอง ได้เร่งการพัฒนาออปโตเจเนติกส์ ซึ่งเป็นแนวทางที่ใช้แสงในการควบคุมเซลล์ประสาท และการระดมทุนได้นำไปสู่ขั้วไฟฟ้าซิลิกอนความหนาแน่นสูงชนิดใหม่ที่สามารถบันทึกจากเซลล์ประสาทหลายร้อยตัวพร้อมกันได้ และได้เร่งการพัฒนาการจัดลำดับเซลล์เดียวอย่างรวดเร็ว ในเดือนกันยายน นักวิจัยที่ใช้ความก้าวหน้าเหล่านี้จะเผยแพร่การจำแนกประเภทเซลล์โดยละเอียดในเยื่อหุ้มสมองของเมาส์และเยื่อหุ้มสมองของมนุษย์ ซึ่งเป็นผลลัพธ์เดียวที่ใหญ่ที่สุดจาก BRAIN Initiative จนถึงปัจจุบัน

แม้ว่าสิ่งเหล่านี้จะเป็นก้าวที่สำคัญทั้งหมด แม้ว่าจะห่างไกลจากความทะเยอทะยานอันยิ่งใหญ่ในตอนแรก

มรดกที่ยั่งยืน

ขณะนี้เรากำลังเข้าสู่ขั้นตอนสุดท้ายของโครงการเหล่านี้—ความพยายามของสหภาพยุโรปจะสิ้นสุดลงในปี 2566 ในขณะที่โครงการริเริ่มของสหรัฐฯ คาดว่าจะมีเงินทุนสนับสนุนจนถึงปี 2026 สิ่งที่เกิดขึ้นในปีหน้าจะเป็นตัวกำหนดว่าพวกเขาจะมีผลกระทบมากน้อยเพียงใดในด้านประสาทวิทยาศาสตร์

เมื่อฉันถามเอเบลล์ว่าเขาทำอะไร ถือเป็นความสำเร็จสูงสุดของโครงการ Human Brain เขาไม่ได้ระบุชื่อความสำเร็จทางวิทยาศาสตร์แต่อย่างใด แต่เขาชี้ไปที่ EBRAINS

ซึ่งเป็นแพลตฟอร์มที่เปิดตัวในเดือนเมษายนของปีนี้ เพื่อช่วยให้นักประสาทวิทยาทำงานกับข้อมูลทางระบบประสาท ทำแบบจำลอง และจำลองการทำงานของสมอง นำเสนอข้อมูลที่หลากหลายแก่นักวิจัยและเชื่อมต่อห้องปฏิบัติการที่ทันสมัยที่สุดของยุโรป ศูนย์ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ คลินิก และศูนย์กลางเทคโนโลยีในระบบเดียว

“ ถ้าคุณถามฉันว่า ‘คุณพอใจกับสิ่งที่เกิดขึ้นไหม’ ฉันจะตอบว่าใช่” Ebell กล่าว “มันนำไปสู่ความก้าวหน้าที่บางคนคาดหวังในแง่ของการได้รับความเข้าใจใหม่อย่างสมบูรณ์ของสมองหรือไม่? อาจจะไม่.”

Katrin Amunts นักประสาทวิทยาแห่งมหาวิทยาลัย Düsseldorf ซึ่งเป็นผู้อำนวยการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ของ Human Brain Project มาตั้งแต่ปี 2016 กล่าวว่าในขณะที่ความฝันของ Markram ในการจำลองสมองมนุษย์ยังไม่เกิดขึ้นจริง มันใกล้เข้ามาแล้ว “เราจะใช้เวลาสามปีที่ผ่านมาเพื่อทำให้การจำลองดังกล่าวเกิดขึ้น” เธอกล่าว แต่จะไม่ใช่แบบจำลองขนาดใหญ่เพียงอย่างเดียว แต่ต้องใช้วิธีการจำลองหลายอย่างเพื่อทำความเข้าใจสมองในความซับซ้อนทั้งหมด

ในขณะเดียวกัน โครงการ BRAIN Initiative ได้มอบทุนสนับสนุนแก่นักวิจัยมากกว่า 900 ทุน คิดเป็นมูลค่ารวมประมาณ 2 พันล้านดอลลาร์ สถาบันสุขภาพแห่งชาติคาดว่าจะใช้เงินเกือบ 6 พันล้านดอลลาร์ในโครงการเมื่อสิ้นสุดโครงการ

สำหรับระยะสุดท้ายของ BRAIN Initiative นักวิทยาศาสตร์จะพยายามทำความเข้าใจว่าวงจรสมองทำงานอย่างไรโดยการสร้างไดอะแกรมของเซลล์ประสาทที่เชื่อมต่อกัน แต่การเรียกร้องในสิ่งที่สามารถทำได้นั้นมีข้อ จำกัด มากกว่าในช่วงแรก ๆ ของโครงการ ตอนนี้นักวิจัยตระหนักดีว่าการทำความเข้าใจสมองจะเป็นงานต่อเนื่อง—ไม่ใช่สิ่งที่สามารถสรุปผลได้ภายในกำหนดเวลาของโครงการแม้ว่าโครงการนั้นจะบรรลุเป้าหมายเฉพาะก็ตาม

“ ด้วยสิ่งใหม่เอี่ยม เครื่องมือหรือกล้องจุลทรรศน์ใหม่ที่ยอดเยี่ยม คุณรู้เมื่อได้รับมัน หากคุณกำลังพูดถึงการทำความเข้าใจว่าชิ้นส่วนของสมองทำงานอย่างไรหรือสมองทำงานอย่างไร เป็นการยากที่จะรู้ว่าความสำเร็จคืออะไร” Eve Marder นักประสาทวิทยาจาก Brandeis University กล่าว “และความสำเร็จของคนคนเดียวก็เป็นเพียงจุดเริ่มต้นของเรื่องราวสำหรับ บุคคลอื่น.”

Yuste และเพื่อนร่วมงานของเขาคิดถูกที่จำเป็นต้องใช้เครื่องมือและเทคนิคใหม่ๆ เพื่อศึกษาสมองอย่างมีความหมายมากขึ้น ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์จะต้องหาวิธีใช้พวกมัน แต่แทนที่จะตอบคำถามเรื่องสติ การพัฒนาวิธีการเหล่านี้กลับเปิดประเด็นเกี่ยวกับสมองมากขึ้นเท่านั้น และแสดงให้เห็นว่าวิธีการเหล่านี้ซับซ้อนเพียงใด

“ ฉันต้องซื่อสัตย์” Yuste กล่าว “เรามีความหวังสูงขึ้น”

Emily Mullin เป็นนักข่าวอิสระที่อยู่ใน Pittsburgh ซึ่งเน้นที่เทคโนโลยีชีวภาพ

  • บ้าน
    • ธุรกิจ การดูแลสุขภาพ ไลฟ์สไตล์ เทค

    โลก อาหาร เกม การท่องเที่ยว

    Leave a Reply

    Your email address will not be published. Required fields are marked *

    Back to top button