Hvordan teknologi har inspirert nevrovitenskapsmenn til å tenke nytt om hjernen
Telegrafer og datamaskiner hjalp forskerne med å gjenoppfatte sinnet, skriver Matthew Cobb i The Idea of the Brain.
Det er vanskelig å snakke om den menneskelige hjernen uten å uforvarende snakke om datamaskiner. Jeg behandler fortsatt, kan du si, eller kan vi gjøre en rask nedlasting om funnene dine? Så er det favorittsetningen til kontorarbeidere som er for tynne: Jeg har ikke båndbredden.
Det er en grunn til at datametaforer krydres over akademiske artikler og forelesninger om hjernen, ifølge Matthew Cobb, en zoolog og forfatter av Ideen om hjernen, til dypdykk i nevrovitenskapens historie . Da han så århundrer tilbake på tidlig forskning på hjernen, løp han stadig inn i eldre og eldre mekaniske metaforer.
Jeg innså at til forskjellige tider har en av måtene folk har unnfanget hjernen vært å tegne en metafor mellom det de tror hjernen gjør og den høyeste teknologien i sin tid, forklarer han. Ulike generasjoner av forskere trakk forbindelser mellom hjernen og automater, elektriske kretser og telegrafen.
Disse teknologiske metaforene tjente ikke bare som illustrasjoner for eksisterende oppfatninger av hjernen. I stedet sier Cobb at sammenligninger med oppfinnelser som telegraftråden - som kunne overføre informasjon fra en sentral node til fjerne punkter på landsbygda - faktisk hjalp forskere med å gjenoppfatte hjernen, noe som førte til sprang i deres forståelse av hjernens struktur og funksjon.
Når jeg hadde innsett at forskere brukte disse metaforene eller disse analogiene, gjorde det meg faktisk i stand til å forstå selv hvorfor det har vært endringer og endringer i vår forståelse, sier Cobb.
Den siste episoden av Uforklarlig , Vox sin podcast om uløste mysterier innen vitenskap, sporer virkningen av nye verktøy som fMRI som undersøker hjernens mange hemmeligheter. Men verktøy er ikke nok, hevder Cobb: Forskere trenger også konsepter eller rammeverk for å tolke dataene de samler inn fra verktøyene sine. Og teknologier som har lite med hjerneforskning å gjøre, har ofte inspirert og påvirket studier av sinnet.
En utskrift av samtalen vår, redigert for klarhet og lengde, er nedenfor.
Så hva er tidslinjen her? Når begynte vi å gjøre dette for første gang?
Vel, den første tingen å innse er at til og med interessen for hjernen [kom] ganske sent. I det meste av menneskets historie har ikke hjernen vært fokus for oppmerksomhet i å tenke på persepsjon, følelser, ånd, sinn - hva du enn vil kalle det. Det har vært et organ i kroppen som leveren eller nyrene eller hjertet.
Du nevner i boken din at setninger som hjertesorg eller å trekke i hjertestrenger dateres tilbake til denne ideen om at tanker foregikk i hjertet. Så når begynner forskere i Europa å si: Å, kanskje det er hjernen likevel?
Ikke i ett øyeblikk. Du må ikke få ideen om at noen plutselig gjorde et eksperiment og sa: Aha! I stedet er det denne langsomme akkumuleringen av sikkerhet. For det første er det anatomisk demonstrasjon av at innvollene som hjertet har andre funksjoner. Hjertet er en pumpe, som ble demonstrert på begynnelsen av 1600-tallet - så det har ikke midler til å gjøre den mystiske virksomheten knyttet til persepsjon og tenkning og så videre.
På den annen side har hjernen, som anatomiske studier viste, alle disse nevronene, og den er forbundet med nevronene til alle sanseorganene og alt annet. Så gradvis, spesielt i løpet av 1600-tallet, ble folk stadig tryggere på at det var hjernen som tenkte. Hvordan det gjorde det, var de ikke helt sikre på. Descartes, den franske filosofen, så på mekaniske, vanndrevne, animatroniske statuer , og han tenkte, kanskje vi har et slags hydraulisk system inni oss.
Det gjør vi ikke, og det ble veldig snart demonstrert at det ikke er noen form for vannkraft inne i nevronene våre. Men det er et eksempel på folk som prøver å bruke teknologi for å forklare og forstå hjernens funksjon.
[Forskere ble senere inspirert av urverksautomater, som den nedenfor.]
Jeg tror telegrafen var eksemplet som best hjalp meg å forstå hvordan det å ha en teknologisk metafor virkelig hjalp forskere til å forstå hjernen. Kan du fortelle meg hva som skjedde der?
Telegrafen blir endelig mestret på midten av 1830- og 40-tallet, og utrolig raskt sprer den seg over hele kontinenter. Og praktisk talt umiddelbart trakk forskerne en parallell mellom disse telegrafnettverkene og nervesystemet og hjernen.
Denne metaforen om kommunikasjon, om ledninger, og fremfor alt, er det informasjon i disse ledningene – nyheter, fakta og ordre – som går fra sentrum og ut til periferien for å få ting til å skje. Det endret veldig mye hvordan vi ser hjernen.
Hvordan var det å tenke på hjernen som en telegraf, sende ut elektriske signaler fra ett punkt til et annet, hvordan hjalp det forskerne?
De så for eksempel på strukturen til undersjøiske kabler som førte telegrafmeldinger over Atlanterhavet, og de kunne se at det var en sentral kjerne av kobber og så rundt den var det isolasjon. Og så så de på nevroner, på nerver, og de sa: Vel, dette er akkurat det samme. Det er denne ytre kappen som ser ut til å isolere den. Så selv vår forståelse av de mest grunnleggende enhetene i nervesystemet begynte å bli fullstendig smeltet sammen med vår forståelse av teknologi.
Når kom de til et punkt hvor de innså at kanskje denne telegrafmetaforen hadde sine begrensninger, eller ikke var en perfekt analogi for hjernen?
Vel, hovedproblemet med telegrafsystemet er at det er fikset og ledningen er statisk. Det endrer seg ikke. Du sender en melding fra hovedkvarteret ned til avdelingskontoret ditt i et forstadssted, og det er det. Du kan ikke bestemme deg for å omdirigere den meldingen i stedet til hovedkontoret, til avdelingskontoret eller til et sted ved siden av.
Så det som skjedde var at en ny teknologi kom og folk begynner å tenke: Vel, faktisk er hjernen mye mer som en telefonsentral. For det var den neste store utviklingen.
En telefonsentral — er det som at sentralbordoperatørene kobler kabler inn og ut?
En telefonsentral på slutten av 1800-tallet besto av et rutenett av spor med ledninger som gikk inn i den. Og hvis du ville ringe noen, tok du røret hjemme, og et lys ville tennes i den lokale sentralen. Og en av telefonoperatørene, som vanligvis ville vært en kvinne, ville da plugge en ledning inn i sporet ditt.
Hun ville da si: Hvilket nummer vil du ha? Og så koblet hun den ledningen til nummeret du ville snakke med. Så nøkkelpoenget her er at meldinger kan endre destinasjon. Ledningen er fleksibel, ved at den endres avhengig av hva du gjør, og dette falt sammen med en erkjennelse av strukturen til nervesystemet. Noe forbløffende vakker nevroanatomi, med nye flekker som folk utviklet, betydde at de kunne se disse strukturene under mikroskopet spesielt.
Disse strukturene og deres sammenkoblinger, de endret seg med tiden, og de vokste, og nervesystemene våre er ikke fikset. Og det er mye mer som en telefonsentral enn det er som et telegrafsystem. Du har fortsatt ideen om meldinger som går nedover ledningene, men nå kan det endre seg - det kan endre seg og det er plast.
Og hva skjer etter telefonen?
Vel, den dominerende metaforen er at hjernen er noe som en datamaskin. Den utfører en slags beregninger. Og den ideen, som ble til på 1940-tallet og begynnelsen av 1950-tallet, dominerer fortsatt over 70 år.
Det er klare grenser for denne metaforen. Det er ikke mange forskere som vil si, bokstavelig talt, hjernen er som en datamaskin med en sentral prosesseringsenhet, med et grafikkort. Hvis jeg tar ut grafikkenheten min fra datamaskinen, kommer den ikke til å ha noe bilde, mens if Jeg skader en bestemt del av hjernen min, hvis jeg er heldig, kan det være tilstrekkelig plastisitet fra de andre delene av hjernen min til å gjenopprette noen aspekter av disse funksjonene. Hjerner er i live.
Hvis vi ser grensene for denne metaforen som vi har jobbet med i 70 år, er det fordi datametaforen på en måte har overlevd nytten? Finnes det en bedre metafor der ute?
Vel, hvis jeg visste det, ville jeg vært veldig rik. Jeg er ikke sikker på at det å bare si: Ja, vi trenger en ny metafor kommer til å hjelpe oss. Da jeg var en bachelor, var hologrammer den store saken, men folk forlot det. Nylig, med bruken av cloud computing, begynte folk å si: Vel, hjernen kan være litt mer som et cloud computing-system. Men det har egentlig ikke vært eksperimenter som har dukket opp fra bruken av metaforen.
Hjerner har utviklet seg over kanskje 600 millioner år. Hver dyreavstamning har en annen type hjerne som reagerer og behandler verden på forskjellige måter på grunn av sin evolusjonære fortid. Så kanskje hjernen vår ikke har en eneste forklaring. Kanskje det er en feil. Kanskje vi bare må nøye oss med mange små forklaringer.
