2017: ein mäßig verblüffter Rückblick auf das Jahr in den Neurowissenschaften

Wir sind gekommen, wir haben gesehen, wir haben ein bisschen eingekauft

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Was zur Hölle. Entschuldigung, ich meine: Hallo, und willkommen zu The Spikes Rückblick 2017 auf das Jahr in den Neurowissenschaften. Ich danke jeder vorübergehenden Gottheit, die zufällig zuhört. Ich muss keinen Rückblick auf das Jahr in der Politik schreiben. Die kombinierte böswillige Inkompetenz des US-Präsidenten und der britischen Regierung wird wahrscheinlich bis Juni 2018 alle möglichen Permutationen von Missbrauchsbedingungen erschöpfen. Danach werden ihre zunehmend wahnsinnigen Entscheidungen und Verlautbarungen ohne Antwort vergehen, weil wir All The Words verwendet haben. Jedes einzelne. Sogar die Franzosen. Va te faire foutre Trump zum Beispiel.

Gehirne. Dafür sind wir hier. Wie Zombies, aber mit einer Ausbildung. In den Neurowissenschaften gab es dieses Jahr viel Sound und Wut. Hochkarätige Veröffentlichungen wie Quanta und MIT Technology Review sind voller neurowissenschaftlicher Geschichten. Neuron veröffentlichte so viele Meinungsartikel, dass sie ihnen ein ganzes blutiges Thema widmen mussten. Wenn es Anzeichen dafür gibt, dass ein Wissenschaftsgebiet die höchste heiße Luft erreicht hat, dann ist es so, dass eines seiner Elite-Journale eine Ausgabe ohne Wissenschaft veröffentlicht. Und Neuron hat innerhalb von 12 Monaten zwei veröffentlicht (ich bin mir der Ironie bewusst, mich über Meinungsbeiträge in einem Blog zu beschweren, danke). Klang und Wut; und viele starke Anwärter auf den Nobelpreis für die Angabe des Bleedin 'Obvious.

Aber was haben Sie unter den Malestrom vermisst? Hier sind vier Sendungen, die 2017 aus den esoterischeren Bereichen der Neurowissenschaften eingetroffen sind. Die Art der Neurowissenschaften, die sich als epochal herausstellen könnte; oder einfach nur alt interessant. Und was kann man noch fragen?

(1) Schlaf kleiner Wurm, weine nicht; Manuel wird dir ein Schlaflied singen

Schlaf ist eine großartige Sache. Es belebt uns und reinigt unser Gehirn. Es scheint wichtig für das Lernen und für die Kreativität zu sein. Wir möchten alle mehr davon. Ohne sie sterben wir. Säugetiere brauchen so dringend Schlaf, dass, ohne ihren Schlaf, Teile ihres Gehirns unabhängig von den anderen einschlafen, während das Tier Sachen macht. Mit unangenehmen Konsequenzen. Schrecklich Jetlag-Teilnehmer an internationalen Konferenzen werden dies als das Stück während der Postersitzung erkennen, bei dem Sie mit dem Kopf voran in die Plakatwand werfen, während Sie anscheinend noch sprechen, weil Teile Ihres motorischen Kortex verschwunden sind: „Gott, das ist langweilig, ich bin schlafen gehen".

Deshalb möchten wir alle mehr darüber wissen, wie das Gehirn einschlafen kann. Aber Gehirne sind große, unhandliche Tiere - wie können wir untersuchen, wie ein ganzes Gehirn einschläft? Manuel Zimmer und sein Team haben eine Lösung gefunden: Schlaf im winzigen Wurm C Elegans studieren. Ja, anscheinend schlafen Würmer mit 302 Neuronen im gesamten Körper ein. Technisch gesehen tritt es in einen Zustand des Lethargus ein: Der Wurm geht offline, aber es gibt kaum Anzeichen dafür, dass er träumt (abgesehen von dem beschämenden, wiederkehrenden Albtraum, beim Essen von Bakterien mit offenem Mund erwischt zu werden).

Zimmer und sein Team zeigten uns die neuronale Aktivität, die sich um das gesamte Gehirn dreht, während sich der Wurm dreht (und zappelt) und dann abrupt anhält, während der Wurm schläft. Bis zu 75 Prozent der Neuronen sind vollständig geschlossen. und der Rest war weiterhin aktiv, aber auf eine Weise, die nichts mit ihrer Aktivität beim Aufwachen zu tun hatte. Mit anderen Worten, sie sind in einen anderen globalen Zustand eingetreten - einen, der einem zufälligen Spaziergang um einen festen Punkt sehr ähnlich sah (wenn Sie über solche Dinge aufgeregt sind. Was ich bin. Aber dann codiere ich zum Spaß dynamische Systemmodelle. Also, Sie wissen, nehmen Sie nicht mein Wort dafür). Was wir hier gewonnen haben, ist die Betrachtung des Schlafes nicht als eine Sache, die durch einen detaillierten, diskreten Schlafkreislauf erzeugt wird, sondern als ein Schalter im Zustand der Dynamik des gesamten Gehirns.

Dieses Papier zeichnete sich aber auch durch die Tiefe seines Inhalts aus. Wir beklagen oft, dass die Artikel in den elitärsten Fachzeitschriften der Naturwissenschaften, den Naturen und Wissenschaften, nur Mund und keine Hose sind: Sie berichten über erstaunliche Ergebnisse auf den schwächsten Beweisen. Aber dieses Papier in Science widmete sich auf den ersten Seiten einer eingehenden und detaillierten Charakterisierung, wie subtil unterschiedliche Abstammungslinien von C Elegans (alle die gleiche Art, denken Sie daran) unterschiedliche Fähigkeiten hatten, in den lethargischen Zustand zu fallen, und wie sich dies im Laufe ihrer Zeit änderte Entwicklung. Es war wie ein Feuerwerk der tiefen Wissenschaft: kein großes Bild, nichts Auffälliges, aber gründliche sorgfältige Arbeit, um den genauen Wurmtyp zu finden, der am besten für die Frage geeignet ist, was passiert, wenn Würmer schlafen. In der Wissenschaft. Verrückte Scheiße. Gibt es schon Hoffnung?

(2) Möchten Sie Stimmen hören?

Akustische Halluzinationen. Man würde denken, dass dies eine Kleinigkeit ist, die objektiv zu erforschen ist, da sie die persönliche subjektive Erfahrung praktisch definieren. (Prätentiös, moi?) Da Halluzinationen ein schwächendes Kennzeichen für Schizophrenie und andere kognitive Störungen sind, wäre es ziemlich nützlich, etwas darüber zu wissen, wie das Gehirn sie erzeugt. In diesem Jahr kamen Phil Corlett und Co auf eine gute Idee: Warum nicht sowohl bei gesunden Menschen als auch bei Menschen, die spontan darunter leiden, auditive Halluzinationen hervorrufen? Wenn wir dann den Unterschied messen, wie einfach es ist, Halluzinationen in den beiden Gruppen zu erzeugen, können wir etwas darüber lernen, wie das Gehirn von Halluzinatoren unterschiedlich funktioniert.

Denn es stellt sich heraus, dass wir gewöhnliche Menschen dazu bringen können, auditive Halluzinationen zu haben. Nichts Beängstigendes, nur etwas zu hören, das nicht da ist. Es ist entwaffnend einfach: Kombinieren Sie den Lichtblitz mit einem kurzen Ton, den Sie fast hören können. Mach das viel. Dann blinken Sie einfach das Licht von selbst. Sogar gewöhnliche Menschen berichten dann, dass sie den Ton zu einem guten Prozentsatz der Zeit hören. Der Kern dieser neuen Studie war also: Lassen Sie uns das auch bei Menschen tun, die bereits auditive Halluzinationen hören und fragen, ob sie mehr halluzinierte Töne hören? Und wenn ja, warum?

Die Antwort war: Ja, ja, das tun sie. Eine Menge mehr. Und für viel leisere Klänge auch. Die wichtigste Erkenntnis hier war jedoch, dass die Autoren diese Daten verwendeten, um ein Modell für das „Warum“ zu erstellen. Und die Antwort war vorhersehbar - Vorhersage. Diese Paarungen von Licht und Ton haben das Gehirn dazu veranlasst, Vorhersagen zu treffen. Es sagt voraus, dass das Licht bedeutet, dass auch ein Ton vorhanden ist. Wenn der Lichtblitz alleine kommt, geht das Gehirn geradeaus und sagt einen Ton voraus, wenn keiner vorhanden ist. Bei gewöhnlichen Menschen gewinnt diese Vorhersage manchmal gegen den sensorischen Beweis, dass es keinen Ton gab, und ein Ton ist dort zu hören, wo keiner zu finden ist. Aber bei Halluzinatoren dominierte diese Vorhersage, so dass sie viel mehr fiktive Geräusche hörten.

Was alles zu einer interessanten Theorie der Halluzinationen passt, dass sie auftreten, wenn das Gehirn beginnt, den Vorhersagen, die es macht, zu viel Glaubwürdigkeit zu verleihen, anstatt die Informationen zu verwenden, die von der Außenwelt kommen. Wie Fußball-Experten. Grundsätzlich hat die Was-zur-Hölle-ist-Alan-Shearer-über-jetzt-gesprochen-hat-er-sogar-die-Match-Theorie der Halluzinationen beobachtet.

(3) Eine große Zeitschrift veröffentlicht ein Nullergebnis. Der Titel dieses Bits ist kein Tippfehler. eLife veröffentlichte ein Papier, in dem es fast ausschließlich um das Fehlen eines Effekts ging.

Bereits im Jahr 2004 schlug ein einflussreiches wissenschaftliches Papier vor, dass Parkinson-Patienten, die ihre Dopamin-Medikamente ein- und ausschalten, verschiedene Dinge über dieselbe Aufgabe zu lernen schienen. Diejenigen, die Medikamente einnahmen, lernten, Optionen auszuwählen, die am wahrscheinlichsten belohnt wurden, was darauf hindeutet, dass sie am besten aus positiven Rückmeldungen gelernt haben. Diejenigen, die keine Medikamente einnehmen, haben gelernt, Optionen zu vermeiden, die am wenigsten belohnt werden, was darauf hindeutet, dass sie am besten aus negativen Rückmeldungen gelernt haben (dh wenn sie eine Belohnung verpasst haben). Dieser Befund löste eine ganze Denkweise darüber aus, wie Dopamin das Lernen durch seine Auswirkungen auf die Klumpen von Neuronen, die wir Basalganglien nennen, steuert.

Ein Papier aus dem Jahr 2012 deutete darauf hin, dass etwas nicht stimmte. Dort berichteten Shiner und Co, dass Patienten, die Medikamente einnehmen oder nicht einnehmen, die Aufgabe genauso lernen könnten wie eine Kontrollgruppe. Was die Patienten jedoch nicht tun konnten, war zu verallgemeinern, was sie gelernt hatten, als sie mit neuen Kombinationen von Optionen konfrontiert wurden - sie waren nicht in der Lage, das Gelernte zu nehmen und es auf neue Weise zu nutzen. Also was war es? Verändert Dopamin-Medikamente den Lernstil oder die Fähigkeit, gelernte Informationen an neue Entscheidungen anzupassen?

Das Ziel der diesjährigen eLife-Studie von Liz Coulthard, die von John Grogan verfasst wurde, war es, dem Rätsel auf den Grund zu gehen, indem die gesamte Studie erneut wiederholt wurde und in allen möglichen Kombinationen, ob die Patienten während der Behandlung Medikamente einnahmen oder nicht Lernen oder während des Testens. Und sie fanden nichts, nada, niente, keine Wurst. Rein gar nichts. Sie fanden keinen Unterschied zwischen Patienten und keinen Unterschied zwischen Patienten und Kontrollen bei irgendetwas. Und fand es dreimal. Alles in allem ein sehr überzeugendes Nullergebnis.

Eine enorme Menge an Arbeit, kein „positives“ Ergebnis und dennoch in einem Elite-Journal veröffentlicht. Ein kleiner Nachteil ist, dass unser Griff nach Dopamin jetzt noch mehr wie ein Panda ist, dessen Zunge in einem Zauberwürfel gefangen ist: schmerzhaft verblüfft.

(4) Ein Nervensystem in ein anderes verwandeln.

Viele Fragen zur Funktionsweise des Gehirns können bei komplexen Tieren nicht beantwortet werden. Dinge wie: Kann dasselbe Verhalten aus verschiedenen neuronalen Schaltkreisen entstehen?

Aber Paul Katz weiß, wie man diese Probleme umgeht: Verwenden Sie wirbellose Meerestiere. In einer phänomenalen Arbeit, von der Säugetier-Neurowissenschaftler nur träumen können, nahmen Sakurai und Katz zwei eng verwandte Arten schwimmender Seeschnecken und zeigten, dass trotz derselben Schwimmbewegung und sehr ähnlicher Neuronen die Verkabelung zwischen diesen Neuronen unterschiedlich war . Das gleiche Verhalten, die gleichen Neuronen, aber unterschiedliche Schaltkreise.

Rhythmische Bewegungen wie Schwimmen werden durch Schaltkreise erzeugt, die sich selbst oszillieren und deren Neuronen in regelmäßigen Abständen vor Aktivität platzen, wobei jeder Burst einen Muskel zusammenzieht. Also sagte S & K: Richtig, also müssen diese beiden Schaltkreise den gleichen Burst erzeugen, aber auf unterschiedliche Weise. Um dies zu beweisen, blockierten sie die Synapsen desselben Neuronenpaares in beiden Spezies. Bei einer Spezies ließen die anderen Neuronen in ein Muster langsamen Platzens fallen, das nicht ganz richtig ausgerichtet war. In der anderen hat diese Blockade das Platzen völlig zerstört. Gleiche Neuronen, unterschiedliche Effekte.

Diese beiden Seeschnecken haben einen gemeinsamen Vorfahren. Diese beiden unterschiedlichen Schaltkreise implizieren also, dass die Evolution zu einer unterschiedlichen Verdrahtung dieser Schaltkreise geführt hat, jedoch das gleiche Verhalten beibehalten hat. Die Evolution wirkte hier auf die Drähte zwischen Neuronen, nicht auf die Arten von Neuronen oder die Arten von Sendern, die sie verwendeten. Wenn dies zutrifft, sollte dies bedeuten, dass wir eine Schaltung nehmen und neu verdrahten könnten, um sie an die andere anzupassen, und in beiden die gleichen Zündmuster erhalten könnten. Einige Science-Fiction-Gubbins genau dort. Ich meine, stell dir vor, wir könnten das.

Wir können. Genau das hat S & K getan.

Zunächst vereinfachten sie ihre Aufgabe, indem sie dasselbe Neuronenpaar erneut blockierten und den Kreislauf auf nur vier Neuronen in beiden Spezies reduzierten. Wieder wurden sie langsam, falsch platzten in einem; und alles in der anderen. Alles, was anders war, waren zwei Verbindungen in der langsam platzenden Schaltung, die in der Sod-All-Schaltung fehlten. Also haben sie diese Verbindungen selbst hergestellt - sie haben künstliche Synapsen hergestellt. Sie zeichneten vom Quellneuron auf und wandelten die Ausgabe dieser Neuronen in den vorhergesagten Satz kleiner Schwankungen um, die sie in einem Neuron am anderen Ende verursachen sollten. und injizierte das resultierende Signal als elektrischen Eingang in das Zielneuron. Voila, künstliche Synapse. Spülen und wiederholen Sie beide fehlenden Verbindungen.

Und siehe da, der Sod-All-Kreislauf begann langsam und platzte auf die gleiche Weise in den gleichen Neuronen. Sie verwandelten das Nervensystem eines Tieres in das Nervensystem eines anderen Tieres.

Dieses hohe Jammern, das Sie hören können, sind Neurowissenschaftler von Säugetieren, die leise vor Eifersucht brodeln. Sea Slugs Rock (© Angela Brunos Doktorabwehr):

Und 2017 hatte so viel mehr. Rafael Yuste durfte endlich ALLE NEURONEN aufnehmen (nun, Christopher Dupre hat alle Neuronen aufgenommen). Die bahnbrechende Neuropixel-Sonde, die im letzten Jahr vorgestellt wurde, wurde schließlich veröffentlicht. Elsayed und Cunningham stellten die unangenehme Frage: Sie kennen all das aufregende Zeug, das wir immer wieder in großen Populationen von Neuronen finden - wissen Sie, diese Naturpapiere -, was ist, wenn es sich nur um Artefakte handelt, die viele einzelne Neuronen mit wirklich langweiliger Abstimmung und Addition zusammenfügen nichts mit der speziellen Sauce der "Bevölkerung" zu tun? Sie gaben uns eine Reihe von Möglichkeiten zum Testen; und fand, dass es doch eine spezielle Sauce gab. Puh. Wir feierten den 200. Jahrestag von „Ein Essay über die zitternde Lähmung“, dem Traktat von James Parkinson, mit dem die systematische Untersuchung neurologischer Störungen eingeleitet wurde. Und wir hatten die Entdeckung, dass „wissenschaftliche Lesbarkeit in den letzten Jahrzehnten an Lesbarkeit verloren hat“ - die Autoren vermissen die Ironie dieses Satzes. Ja, die in wissenschaftlichen Arbeiten verwendeten Wörter sind im Laufe der Zeit komplexer geworden. Und der schlimmste Täter? Genetik. Aber das wussten wir schon.

Eine Sache, die wir Wissenschaftler vielleicht unterschätzen, ist, dass Sie - wenn Sie aufpassen - ständig gute Nachrichten hören. Von Fortschritten in unserem Verständnis der natürlichen Welt; von technologischen Durchbrüchen; von medizinischen Wundern. Und in diesen idiotischen Zeiten des gebrochenen Nationalismus hören wir von Ländern, die zusammenarbeiten, von Kooperationen, die alle Unterschiede überwinden.

ITER erreichte die Halbzeitmarke. Da die Kernfusion vielleicht die einzig gangbare dauerhafte Lösung für unsere gleichzeitigen Kohlenstoff- und Energiekrisen ist und ITER der einzige Versuch ist, sie in naher Zukunft kommerziell zum Laufen zu bringen, kann es nur eine wunderbare Sache sein, sie wieder auf Kurs zu bringen. Und als Zusammenarbeit zwischen 35 Ländern, die historisch gesehen nicht so gut miteinander auskommen (einschließlich der USA, Russland, China einerseits und China, Japan und Korea andererseits), bedeutet dies auch, dass wir es immer noch können Reiß dich zusammen.

Besser noch, dieses Jahr wurde ein neues Synchrotron eröffnet. Großartig, denken Sie, eine weitere Quelle für hochintensives Licht zum Betrachten von Kristallen. Whoop-de-doop. Ah, aber dieser ist das einzige Synchrontron im Nahen Osten. Sitz in Jordanien, aber durch eine Zusammenarbeit zwischen dem Iran, Jordanien, Ägypten, Israel und Palästina aufgebaut. Ich lasse Sie zurückgehen und die Liste der Länder noch einmal lesen. Die Wissenschaft überwindet wieder Konflikte und Politik.

Oh, und sie nannten es: Synchrotronlicht für experimentelle Wissenschaft und Anwendungen im Nahen Osten. Ja, das offizielle Akronym lautet: SESAME. Und das offizielle Förderprojekt? Sesam öffne dich. Zum Lachen. Wir werden in Ordnung sein.

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