Anonim

The connectome, peta fisik kepribadian dan munculnya cryonics high-res

ScienceFeature

Loz Blain

3 April 2018

3 gambar

Connectome adalah peta fisik struktur saraf otak Anda. Jika kita dapat sepenuhnya menangkapnya, memetakannya dan mengunggahnya ke superkomputer, apakah itu cukup untuk membuat simulasi Anda yang mencakup pemikiran, ingatan, dan perilaku Anda? (Kredit: kiss777 / Depositphotos)

Apa esensi dari seseorang? Ini pertanyaan yang mendalam untuk hari Selasa. Meskipun hampir tidak ada yang diketahui tentang kesadaran itu sendiri, sains telah membuka beberapa pintu kecil menuju bagaimana fungsi otak. Dan apakah Anda seorang esensialis biologis yang percaya bahwa keseluruhan kesadaran tertanam di perangkat daging otak, atau semacam spiritualis yang melihat kesadaran sebagai sesuatu yang terpisah dan bukan dari bidang ini yang mendorong, mengamati, dan bekerja dengan otak. Jelas sekali bahwa otak bertanggung jawab untuk banyak hal yang membuat Anda menjadi diri Anda.

Kenangan, misalnya. Kenangan otot juga. Berpikir pola yang menjadi lebih dan lebih usang dari waktu ke waktu sampai mereka menjadi default. Koneksi antar benda. Representasi fungsional dari hal-hal, konsep, ide, orang. Apakah ada jiwa, atau roh, atau kesadaran terpisah yang terlibat atau tidak, ingatan dan koneksi ini tampaknya ada pada tingkat fisik di otak.

Dan apa pun yang ada pada tingkat fisik, transhumanis akan mengatakan, dapat dipertahankan setelah kematian dan menghidupkan kembali di beberapa titik, atau dalam beberapa bentuk. Oleh karena itu, bidang cryonics, di mana tubuh penuh, atau hanya otak, dibekukan setelah mati untuk mempertahankan sebanyak mungkin jaringan pemikiran yang berharga ini, dengan harapan bahwa setiap individu dapat dihidupkan kembali.

Tetapi struktur fisik apa, tepatnya, yang kita coba pertahankan, dan apakah teknik cryonik saat ini benar-benar melestarikannya?

Temui connectome

Connectome ini, pada dasarnya, diagram pengkabelan otak. Ini adalah peta fisik dari semua neuron di otak - atau memang seluruh sistem saraf - dan koneksi sinaptik di antara mereka.

Dan ini adalah sesuatu yang dapat kita lihat secara fisik, melalui teknologi pencitraan yang berbeda, pada berbagai skala yang berbeda. Ambil kubus materi otak, iris cukup halus dan kemudian buat model kubus 3-D, dan Anda mulai melihat kerumitan fisik yang mengejutkan yang bahkan membutuhkan otak invertebrata paling sederhana sekalipun.

Pada skala makro, cabang-cabang neuron tebal meringkuk dan terjalin dengan yang lain yang tak terhitung jumlahnya. Bentuknya tanpa henti rumit - bayangkan semangkuk penuh spaghetti yang padat tetapi dengan setiap helainya memvariasikan bentuk, ketebalan dan geometri 3-D sepanjang jalan ke bawah, untuk mengakomodasi untaian lainnya dan terhubung dengan mereka beberapa kali.

Semakin jauh Anda memperbesar, semakin kompleks hal-hal menjadi, sebagai neuron yang lebih kecil dan lebih kecil bercabang dari yang lebih besar, menghubungkan ke orang lain dari semua ukuran pada titik-titik tertentu yang disebut sinapsis, di mana informasi dapat ditukar dalam bentuk neurotransmitter dan impuls listrik.

Ini adalah penyederhanaan kolosal, tetapi teorinya adalah bahwa masing-masing jalur ini, dengan semua titik kontak, cabang dan hubungan dengan jalur lain, mungkin mewakili pemikiran, ingatan, atau tindakan. Semakin sering Anda melakukannya, atau pikirkan, semakin besar dan tebal jalur itu. Semakin banyak Anda belajar tentang itu, semakin banyak koneksi fisik yang terbentuk dengan neuron dan proses lain, semakin membangun peta pemahaman Anda.

Dengan demikian peta otak berubah seiring waktu, secara terus-menerus memperkuat beberapa jalur sementara yang lain dibiarkan mati karena tidak dipakai. Kita mungkin memang tahanan, dalam arti tertentu, dari penghubung kita karena mereka menentukan dengan pasti pola pikir apa yang akan muncul dari situasi apa. Tetapi hanya dengan tindakan pikiran itu sendiri, kita memiliki kemampuan untuk mengatur ulang diri kita ke tingkat yang signifikan, untuk memperbesar beberapa jalur dan memungkinkan orang lain untuk berhenti. Semakin Anda memikirkan sesuatu atau melakukannya, semakin banyak bagian fisik otak Anda yang menjadi - dan itu mungkin untuk membiarkan bagian-bagian mengalami atrofi jika Anda mengabaikannya.

Dan sementara kita benar-benar tidak tahu bagaimana memisahkan fungsi dari bentuk-bentuk yang sangat rumit ini, tampaknya menjadi manifestasi fisik dari bagaimana kita percaya hal-hal seperti ingatan, perilaku, kepribadian dan pemahaman mungkin bekerja. Dalam teori, jika Anda dapat memetakan penghubung individu sepenuhnya, dan memahami bit mana yang melakukan hal itu, Anda dapat membangun model lengkap yang memprediksi apa yang akan dipikirkan, dikatakan, dan dilakukan oleh orang tersebut dengan serangkaian situasi.

Di mana penelitian connectome pada saat ini?

Saat ini, dimungkinkan melalui penggunaan berbagai jenis pencitraan MRI (fungsional dan difusal) untuk memetakan beberapa hal ini pada tingkat makro dalam mata pelajaran yang hidup.

Ini sudah mulai membantu kami memahami perilaku dan fenomena tertentu; peneliti mencoba menggunakan pemetaan MRI difusi untuk melacak bagaimana hal-hal seperti depresi dan gangguan kecemasan mengganggu fungsi otak yang sehat. Keuntungan dari pemetaan langsung jelas - Anda bisa mendapatkan subjek untuk melakukan atau memikirkan berbagai hal, melacak aktivitas otak apa yang terjadi di mana, dan menggunakannya untuk membangun beberapa gagasan tentang fungsi masing-masing bidang yang dapat Anda bedakan.

Tetapi sementara pencitraan MRI pada subjek hidup lebih mungkin berguna dalam jangka pendek, teknologi ini terlalu rendah untuk mencapai tujuan akhir dari peta connectome manusia yang lengkap. MRI dapat menyorot jalan superhighways otak, tetapi tidak dapat turun ke tingkat jalan belakang dan jalan setapak.

Untuk turun ke tingkat sel, yang merupakan tujuan akhir, Anda saat ini membutuhkan pasien yang meninggal. Seseorang yang otaknya dapat Anda potong menjadi balok-balok kecil, kemudian memotong blok-blok itu dan menganalisisnya dengan mikroskop cahaya dan elektron, noda dan alat lain untuk menciptakan peta resolusi tinggi yang memungkinkan para peneliti untuk melacak, menandai dan menggambarkan setiap jalur saraf dan sinaptik. koneksi keluar dalam 3D.

Ini adalah video yang luar biasa oleh para peneliti di Departemen Connectomics Max Planck Institute, menunjukkan bagaimana potongan lapisan 2-D dapat diolah menjadi model 3-D dari connectome untuk sepotong kecil otak:

Memanggil peta-peta ini rumit adalah pernyataan yang sangat besar. Ketika peneliti sepenuhnya memodelkan connectome cacing elegans C., yang hanya memiliki 302 neuron untuk dilacak, mereka akhirnya membutuhkan 12 terabyte data untuk menyimpannya.

Peta otak manusia akan menjadi lebih dari dua juta terabyte. Itu murni untuk menggambarkan struktur fisiknya. Jika Anda ingin membangun model yang berfungsi seseorang dalam beberapa komputer ultra pada suatu titik di masa depan, Anda kemungkinan besar juga perlu tahu apa yang masing-masing jalur tersebut lakukan dalam arti fungsional.

Mari kita tidak lupa baik seberapa banyak spaghetti tangle dari neuron yang berhubungan dengan fenomena yang spesifik pada tubuh otak. Karena terhubung ke semua jenis sistem fisik dan sub-sistem, dari input sensorik, hingga sirkuit reaksi tidak sadar, ke sekresi hormon, impuls motorik dan regulasi organ latar belakang. Merekonstruksi connectome otak tanpa semua bit lainnya, dan kebaikan tahu apa sistem akan dapat berfungsi ketika begitu banyak tubuh dan mekanisme input hilang.

Dan mengasumsikan bahwa masalah besar dan rumit yang terhubung ini dapat diselesaikan, dan Anda dapat menjalankan model diri Anda di komputer - model diri Anda pada tanggal dan waktu tertentu, tentu saja, karena neuroplastisitas memastikan bahwa Anda "Adalah konsep yang terus berkembang - masih ada pertanyaan apakah model itu dapat dikatakan hidup, atau memiliki kesadaran. Atau jika hanya mampu melakukan kesan yang sangat baik dari Anda.

Namun tampaknya teknik semacam ini, diterapkan pada otak yang diawetkan dengan benar bertahun-tahun setelah kematian, dapat digunakan untuk mengekstraksi ingatan dan pola kepribadian dan perilaku yang bisa memberi subyek klaim sah akan keabadian. Jika kepribadian adalah sesuatu seperti ide, dan sebuah ide dapat disebarkan ke depan melalui substrat yang berbeda, mungkin kepribadian juga bisa. Dan itu pasti keren untuk berpikir tentang mengunggah kepribadian Anda ke dalam robot Godzilla bertenaga roket setinggi 30 kaki.

Melestarikan otak

Saat kami bergerak maju, kami belajar lebih banyak tentang berapa banyak yang tidak kami ketahui. Sementara ilmu otak telah berkembang pada tingkat astronomi yang sama dengan ilmu lainnya, itu adalah subjek kompleksitas yang sangat besar yang mungkin otak manusia secara harfiah tidak cukup pintar untuk memahami cara kerjanya sendiri. Ketidaktahuan yang diketahui terus menumpuk, dan tampaknya kita harus bergantung pada mesin dan perangkat lunak yang dapat berpikir lebih cepat dan lebih banyak dimensi daripada yang bisa kita lakukan, untuk menguraikan misteri rumit dari connectome.

Tetapi satu hal tampak jelas: jika kita akan bertahan dengan bisnis cryonics - otak yang membeku atau seluruh tubuh dengan harapan membangkitkan mereka suatu hari nanti - kita perlu memastikan bahwa kita melestarikannya dengan cara yang mendukung rekonstruksi atau pemetaan dari connectome pada resolusi tertinggi yang mungkin.

Dan cara terbaik yang kita tahu saat ini adalah Crystreservation Aldehyde-Stabilized, atau ASC. Ini adalah proses dua langkah. Pertama, bahan kimia fiksatif yang disebut gluteraldehida digunakan untuk mengubah otak secara cepat dari teksturnya yang normal dan berair menjadi sesuatu seperti karet yang lunak. Ini membekukan jalur saraf di tempat sebelum mereka dapat mulai merendahkan, dan memberi Anda otak yang disimpan secara utuh seperti sains saat ini dapat membayangkannya, hingga satu atau dua tahun tanpa kehilangan informasi.

Langkah kedua adalah vitrifixation - membekukan otak tetap untuk penyimpanan jangka panjang. Menggunakan ethylene glycol yang sama yang Anda masukkan ke dalam mobil Anda sebagai antibeku, otak terlindung dari pembentukan kristal es yang merusak, dan kemudian jatuh ke dalam dingin yang ekstrim pada -122 ° Celcius (-188 ° Fahrenheit) di mana ia dapat disimpan lebih atau kurang tanpa batas.

Dan tampaknya berhasil. Pada tahun 2010, Yayasan Pelestarian Otak memberikan hadiah uang tunai bagi individu atau tim pertama untuk menunjukkan teknik yang mampu "menghemat biaya dan mempertahankan seluruh otak manusia untuk penyimpanan jangka panjang (> 100 tahun) dengan kesetiaan bahwa struktur setiap proses neuronal dan setiap koneksi sinaptik tetap utuh dan dapat dilacak menggunakan teknik pencitraan elektron elektron (EM) hari ini. "

Ada dua tahap untuk hadiah ini - berhasil melestarikan otak mamalia kecil, sesuatu seperti tikus, dan berhasil melestarikan otak dari mamalia yang lebih besar seperti babi. Dan pada tahun 2015, Robert McIntyre dan timnya memakukan tahap pertama, untuk memuaskan para hakim, melestarikan otak kelinci menggunakan teknik ASC yang dijelaskan di atas, dan menjaga agar connectome sepenuhnya dapat dipetakan dalam proses untuk pertama kalinya. Ini adalah video yang bergerak turun melalui lapisan otak kelinci yang diawetkan, yang menunjukkan bagaimana Anda dapat mengikuti jalur dalam struktur 3D ini:

Yang tentu saja menimbulkan pertanyaan yang tidak nyaman: bagaimana dengan semua otak lain yang telah dibekukan? Apakah teknologi pada waktu itu tidak cukup untuk mencapai target penggerak yang benar-benar ingin kita dapat dapatkan kembali dari mereka?

Nectome dan pencarian otak manusia yang beku sempurna

Apakah McIntyre percaya bahwa teknik akan berskala untuk memasukkan otak manusia? Iya nih. Memang itu adalah inti dari latihan. Dan dia bekerja sama dengan sesama lulusan MIT untuk membentuk sebuah perusahaan, Nectome, yang dia harap suatu hari nanti akan dapat mempertahankan dan menyimpan otak dengan tingkat presisi yang akan memungkinkan teknologi masa depan akses bebas ke seluruh connectomes mereka, termasuk semua ingatan dan kepribadian yang terkunci di dalam.

Tujuan jangka pendek Nectome adalah untuk menyempurnakan teknik pengawetan ASC dengan cara yang dapat digunakan pada otak manusia - sesuatu yang dilihatnya sebagai tujuan dua tahun. Tapi itu juga bekerja pada masalah kompleks bekerja bagaimana memetakan connectome menggunakan berbagai teknik pewarnaan dan pencitraan warna.

Perusahaan ini optimis bahwa dalam beberapa tahun ke depan, para ilmuwan akan mencari cara untuk mengekstrak bit memori tingkat tinggi dari otak tikus, dan kemajuan dalam teknologi komputasi akan membiarkan mereka sepenuhnya memetakan otak 10.000-neuron sedini 2022.

Itu masih merupakan jalan keluar dari ~ 100 miliar neuron yang akan Anda temukan di otak manusia, tetapi pada saat itu itu hanya masalah skala dan kekuatan pemrosesan.

Apa yang harus dilakukan dengan itu setelah kita sepenuhnya menyandikan struktur biologisnya? Itu pertanyaan lain, untuk generasi ilmuwan lain. Apakah melestarikan cukup terhubung, atau apakah teknologi ini akan menjadi usang usang pada saat kita mengambil lompatan dalam pemahaman? Mungkin. Tetapi hanya memetakan connectome, dan merancang alat untuk mempersiapkan otak untuk penyimpanan jangka panjang dengan benar? Itu adalah sesuatu yang manusia bisa tepuk sendiri di belakang.

Sumber: Nectome, Max Planck Institute, Departemen Connectomics

Sel saraf dari korteks serebral tikus direkonstruksi menggunakan perangkat lunak analisis baru connectome SegEM. Gambar mikroskop elektron (abu-abu) dari mana sel-sel saraf dan koneksi mereka direkonstruksi juga ditampilkan. (Kredit: MPI f. Riset Otak / Berning, Boergens, Helmstaedter)

Saluran materi putih dalam otak manusia, seperti yang divisualisasikan oleh traktografi MRI (Kredit: Xavier Gigandet et. Al. - Gigandet X, Hagmann P, Kurant M, Cammoun L, Meuli R, dkk. (2008) Memperkirakan Tingkat Percaya Diri Putih Materi)

Connectome adalah peta fisik struktur saraf otak Anda. Jika kita bisa menangkapnya, memetakannya dan mengunggahnya ke superkomputer, apakah itu cukup untuk membuat simulasi Anda yang mencakup pemikiran, ingatan, dan perilaku Anda? (Kredit: kiss777 / Depositphotos)

Direkomendasikan Pilihan Editor