Nye hjernekart avansert forståelse, med begrensninger

Denne høsten, Europas Human Brain Project (HPB) og USA HJERNE (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) Initiative kunngjorde resultatene av deres innsats for å lage et omfattende atlas over hjernen.

Europas HBP har laget "den mest detaljerte", interaktive og offentlig tilgjengelig 3-D hjernemodeller til dags dato, med variasjoner for mennesker, ikke-menneskelige primater, mus og rotter. Modellen kartlegger formen, plasseringen og variasjonen til hjernestrukturer samt arkitekturen til nervefibre og celler, kortikale og subkortikale lag. Mens den NIH-finansierte BRAIN ennå ikke har bygget en interaktiv modell av den menneskelige hjernen, har den publisert 24 artikler som beskriver den genetiske sammensetningen av mer enn 3300 typer hjerneceller (med flere på vei). Et av prosjektets forventede resultater er "Et åpen tilgang 3D digital hjernecellereferanseatlas med molekylære, anatomiske og fysiologiske merknader av hjernecelletyper hos mus."

kunngjort av Barack Obama i 2013, var målet til BRAIN Initiative, nå delvis realisert, "å produsere et revolusjonerende nytt dynamisk bilde av hjernen som, for første gang, viser hvordan individuelle celler og komplekse nevrale kretsløp samhandler i både tid og rom." Publikasjonene i store vitenskapelige tidsskrifter tilbyr detaljene om resultatene så langt. For øyeblikket er disse papirene en stand-in for et hjerneatlas som er i ferd med å lages. Så langt har ikke BRAIN produsert en interaktiv modell, men har produsert dataene som lover å gi en som inkluderer granulære detaljer om rollene bestemte hjerneceller spiller og deres genetiske komponenter.

Human Brain Projects mål har alltid vært mer diffuse: "The Human Brain Project har bidratt til en dypere forståelse av den komplekse strukturen og funksjonen til den menneskelige hjernen med en unik tverrfaglig tilnærming i grensesnittet mellom nevrovitenskap og teknologi." Mens BRAINs atlas er revolusjonerende i sin identifikasjon av celletyper og funksjoner, Human Brain Projects ekvivalent er mer ekspansiv, modellerer hjerneaktivitet som kan gi innsikt i en rekke felt, inkludert robotikk, kunstig intelligens, nevrale implantater og studiet av bevissthet.

BRAIN-initiativets resultater er imponerende. Mer enn tusen forskningsprosjekter over hele verden, finansiert av National Institute of Health (NIH), har identifisert mer enn 3300 typer hjerneceller (med flere som skal identifiseres). Til sammen har de dokumentert den komplette genetiske sammensetningen av hver celletype, identifisert hvilke celler som er aktive i en bestemt hjerne systemer, og utviklet en større forståelse av celleforbindelse på tvers av hjernestrukturer - mot utvikling av identifisert hjerne "connectome." Konkret lover denne nye kunnskapen å belyse lite forståtte hjernetilstander - for eksempel Parkinsons sykdom, schizofreni og Alzheimers sykdom.

HPBs resultater er også imponerende, men ganske forskjellige. Mer enn 500 forskere som representerer 155 institusjoner i 19 land har utviklet mer enn 160 nye digitale verktøy som administrerer data, simulerer hjerneaktivitet, og legger til rette for forskning på tvers av felt og laboratorier. De flernivå HPB-atlas "fanger informasjon om hjernevariabilitet i forskjellige fag og samler kunnskap fra forskjellige nevrovitenskapelige kilder både på mikroskopisk og makroskopisk skala... Basert på mikrostrukturelle prinsipper bygger den koblinger mellom MR-baserte referanserom til den mikroskopiske BigBrain-modellen." HPB har produsert 3D-modeller av menneske-, ape-, mus- og rottehjerner

HPB-atlaset er mer umiddelbart tilgjengelig og anvendelig, mens BRAIN Initiative lover kanskje større langsiktig forståelse av hjernens funksjon på cellenivå. Den bemerkelsesverdige forskningen og løftet til begge prosjektene har vært mye rapportert. Likevel er de sosiale implikasjonene av de to prosjektene mindre godt forstått. Disse to prosjektene utviklet seg langs samme tidslinje, så ideen om at de var i et "kappløp" for å forklare den menneskelige hjernen var uimotståelig. Men det er også feilretning. De to prosjektene brukte ulike metoder og førte til ulike resultater.

Per definisjon er et hjerneatlas et sammensatt portrett av en såkalt nevrotypisk hjerne. Mens hjerneatlasprosjektet legger vekt på mangfoldet av celletyper, har det ennå ikke kapasitet til å fortelle oss mye om mangfoldet av mennesker – og deres hjerner. Et atlas er alltid et arbeid som pågår. I sin nåværende versjon avslører hjerneatlaset en spenning mellom forståelse hjernen og forstå individuelle hjerner.

Henry Markram, Sveits Nevrovitenskapsmann og meddirektør for Human Brain Project, har fra begynnelsen håpet at hjerneatlasprosjekter vil gjøre oss i stand til å forstå forskjellene mellom individuelle hjerner. Markram er også faren til Kai Markram, hvis autisme han siterer som en personlig motivasjon for hans ambisiøse (og noen ganger bisarre) mål for prosjektet: "Å kunne ringe opp alt, fargene, lydene - det er det som motiverer meg... Å kunne gå inn i en simulering av min sønns hjerne og se verden slik han ser den. For øyeblikket kan jeg bruke fMRI og EKG [elektrokardiogram] for å se hvordan hjernen behandler informasjon og hvilke regioner er aktivert under forskjellige oppgaver, men jeg kan ikke se hva den oppfatter, jeg kan ikke se hva den ser."

Markrams mål høres ut som science fiction, men det ville også ha ideen om et hjerneatlas for 50 år siden. Hans fantasi er en påminnelse om at begge prosjektene er motivert av filosofi og politikk, i tillegg til vitenskap og medisin. Filosofer bruker begrepet "forklarende gap" for å referere til gapet mellom kunnskap om den fysiske hjernen og evnen til å forklare hvordan hjerner gjør oss i stand til å tenke, føle og være. Talsmenn for nevromangfold minn oss på at ingen hjerner er like – og at vi ofte er for raske til å diagnostisere hjerneforskjeller som hjernesykdommer.

Ingen av hjerneatlasprosjektene oppfyller Markrams fantasi, men den fantasien er en påminnelse om at vitenskap er en sosial bestrebelse. Ettersom nevrovitenskapsmenn over hele verden forfølger medisinske og vitenskapelige mål som er muliggjort av hjerneatlas, bør vi alle huske på de filosofiske og sosiale implikasjonene av prosjektene. Vi kan ennå ikke forklare forholdet mellom hjernen og selvet, og vi mangler definitive forklaringer på hjernerelaterte tilstander som schizofreni, autisme eller depresjon. Faktisk er vi ikke engang sikre på at disse forholdene oppstår fra lignende årsaker mellom en person og en annen. Som det sies, "Hvis du har møtt en autistisk person, du har møtt en autistisk person."