马克莱姆采访部分:介绍模拟神经科学

第一我们的独家访谈系列蓝色大脑项目创始人兼董事教授亨利·马克拉姆,我们讨论模拟神经科学的基础知识。马克莱姆,该领域的主要支持者之一,评论为什么模拟大脑的想法引发了担忧,从实验和理论神经学家和答案是否在计算机技术最终可能取代实验方法。找到更多关于我们的马克拉姆访谈系列在这里。

Ruairi Mackenzie (RM):的主要论点是什么实验对模拟神经科学神经科学家?

亨利·马克莱姆(HM):生物学家非常的艰巨复杂的大脑在所有水平和无尽的现象可以引起运行时或者溅射。实验神经科学家直接体验什么是喜欢坐在在一个迷宫出口的无限可能的方向。因此,自然和完全可以理解肠道反应,是不可能建立大脑的数学。我们只是不知道足够的索赔。同意,但是我们需要知道之前我们可以建立它吗?没有人知道。薄雾散去,当意识到一个没有衡量一切为了开始和开始可以加速实验神经科学。

RM:理论的主要论点是什么神经科学家对模拟神经科学吗?

嗯:今天理论神经科学可以被看作是认为可以只有理解一个复杂的系统通过简化它。简化了复杂的现象被视为一个挤出的过程的所有细节直到只剩下本质“不必要的”。这被认为是终极理解本质。

翻译生物学,这观点意味着观察突变在20000年的一个奇怪的基因所使用的大脑可以改变一个人的喜好,才能和个性,或者看看附加一个磷酸分子到某一特定点的100000多的类型的蛋白在神经元可以帮助我们储存记忆或如何当一个神经元连接到太多的其他神经元可能导致自闭症,是理解大脑所有不必要的细节和无关紧要。

很难理解这个反应我看到的是一个奇妙的宇宙生物的细节。在科学层面上,一些表示批评指向一个声称永远不可能建立一个精确的模型的大脑,因为有太多的参数。有这么多参数,他们认为,一个永远无法避免过度拟合模型的模型总是会毫无意义,只是浪费时间。最好是建立最简单的模型参数较少,因此自由度小到可以理解。

具有讽刺意味的是,理论家是绝对正确的,但只是一般的各种模型,大脑的建造。如果参数是如此简单,他们不能受到生物数据,然后他们是免费的参数和你有一个过度拟合的问题。如果他们来自生物测量,他们不自由,约束的范围值,在大脑中被发现。没有考虑的其他因素可能是最重要的一个生物学的基本原则,即每一个生物参数在大脑中是受到几乎所有其他参数在大脑中。的参数不仅可以因此承担任何值,作为其他参数保持在原位。

让我们来看一个例子。我们的身体是由不同种类的细胞。我们构建不同细胞的方式表达的不同组合20000奇怪我们继承父母的基因。在大脑中,每种类型的神经元是由约一半的基因表达。从理论上讲,类型的细胞的数量,可以由大脑的基因组合的数量,我们可以表达。现在甚至需要很长时间来计算有多少种组合,当一个人可以选择从20000年一组10000个可能的基因,但肯定的是它不仅仅是亚原子粒子的数量,可能和其他宇宙我们可以想象。这是一种自由度问题与概念模型。

生物学,另一方面,是一个极小的子集的理论可能性。我们到这一刻的子集理论可能性通过允许大脑中的一切限制一切。这是基本原则,使得大脑进化,使得这个复杂的器官是非常稳定,尽管被把周围的生活和疾病。

RM:你为什么说我们不能通过实验大脑地图吗?

嗯:神经科学是一个非常大的,大数据的挑战。人类大脑使用了超过20000个基因,超过100000种不同的蛋白质,一万亿多个分子在单个细胞,近1000亿个神经元,1000万亿突触和超过800种不同的大脑区域,以实现其非凡的能力。这些元素有许多规则的交互。不仅要我们把大脑理解为一个大数据的挑战,但是,我们也需要了解所有这些元素的工具,一起工作。映射大脑不是绘制人类基因组图谱相同的挑战,因为它需要映射的大脑在许多水平描述,所有的所有元素之间的相互作用,以及他们如何随开发、经验、老化、菌株、物种,性别和大量的疾病。我们将需要使用信息,数据科学和仿真来组织数据,填满我们的数据的巨大差距,测试我们的知识,使我们的预测还不知道生产的地图大脑在任何情况下。

RM:你能举个例子,它是不可能获得一个实验性的地图,但是您可以获得这张地图通过构建一个数字重建?

嗯:有很多例子。这是一个。大脑皮层的一小块,大小的针头,约55更多类型的神经元。他们可以互相每个可能形成突触。实验需要地图3025可能的连接类型。这是一个问题,因为它把所有的神经科学40年地图大约20这些类型的连接,每一年,花费超过一百万美元。有许多的努力进行实验地图所涉及的所有突触连接和我们还没有这样的地图。我们发现四个规则如何通过分析神经元彼此连接的20个左右连接,并开发了一个算法来连接神经元通过遵循这些规则。然后,我们验证算法通过比较结果对连接不用于构建算法。我们发现只有2000年左右的3025可以形成突触的连接和可以提供一个完整的预测地图为每一种连接类型。我们现在有一个预测:大约有4000万的神经元突触连接一只老鼠大脑的皮层。这表明,我们可以补充这种方法与实验神经科学加速大脑的映射。

RM:你认为在网上方法可以最终成为研究和替换的黄金标准在活的有机体内技术?

嗯:模拟神经科学是实验神经科学的催化剂,而不是替代。一个不能证明任何明确模拟。它提供的预测,其中一些最终必须与生物实验测试。当我们接近协调,把所有的数据和知识转化为大脑的数字拷贝,模拟神经科学最终可能成为任何神经科学研究的第一步。第一步为提问的技术限制,测试多个假设之前昂贵的实验,建立关键生物实验,需要明确回答这个问题,做第一个正确设计这些实验探索性研究。这是更快,更容易和最重要的是,它允许一个考虑所有变量,这实验就不能做。今天许多实验对大脑就像一杯水从海洋和说没有鲸鱼在海里。请不要误会我,我一点也不反对实验。我是一个实验者自己和我们需要很多,更多的实验。

一个数字重建皮层从鼠标皮层。信贷:版权©2005 - 2020蓝脑计划/欧洲。保留所有权利。

模拟神经科学也让我们远远超出实验神经科学和作出预测的局限性,我们甚至没有技术测试,有时,我们甚至无法想象。例如,在最近的一次纸我们预测,大脑生活的噪音和混乱,很快就会变得有组织和可预测的感官输入到达时。发现操纵突触所需参数,今天在技术层面上是不可能的。在另一个研究我们可以开始了解是什么让我们相同,是什么让我们不同通过隔离神经元和连接形式如何影响他们如何应对感官输入。可能需要很长时间的实验可以为一些来自模拟神经科学发现提供明确的证据,但这并不少见。例如,引力波仍然预测一个世纪,直到技术开发来测试这个理论。然而这样的预测,指导和加速我们的理解,无限的技术限制,最终也将引导技术的发展让我们测试这些理论。

在某些方面,模拟神经科学类似于人工智能(AI)将其他人类在许多任务仅仅因为人工智能可以看看更多的变量。大脑的预测方面当然是一个更复杂的任务分类比猫或玩去,但这恰恰是为什么它更是必要的。计算机可以跟踪每秒钟数以万亿计的参数和相互作用,而人类只能跟踪几。对我来说很明显,我们需要电脑来帮助我们理解大脑。我认为模拟神经科学最终会(但可能需要很长一段时间)破坏实验神经科学一样,人工智能是人类功能扰乱我们认为非常。席卷全球的现代人工智能技术,是可预测的自动化功能。我们认为AI智能甚至担心这情报,但事实上,这是因为我们震惊地发现,很多功能和行为是可预测的,我们害怕,我们做的是特别的。新奇会消失,然后我们可以到更有趣的问题的情报。以同样的方式,模拟神经科学是不需要担心的事情,它只是需要显示全部是可预测的。什么不能预测最终将成为最有趣的问题。 However, we cannot answer this question amidst false illusions of what is predictable.

RM:一个项目如何模拟大脑与其他项目?

嗯:花了13年约250名科学家创建初稿的地图人类基因组计划,耗资30亿美元。当时,这个项目是有争议的,当它宣布映射,它是不完整的,人们说它没有保持其承诺的具体的健康益处。之前用了另一个十年或二十年的好处变得明显;第一个基因疗法可能为癌症和开发的今天,我们无法想象没有它的任何生命科学。

大型强子对撞机成本约47.5亿美元,花了十年才建成,不包括多年的讨论和准备。除了发现希格斯玻色子,欧洲核子研究中心项目通常也有间接好处,如发现互联网和GPS系统——好处许多人会说我们现在就活不下去的。

花了11年的付出巨大努力,大约400000人在高峰时期,人类生命的牺牲,到月球花费1530亿美元在今天的条件。很多人问,我们为什么要去月球,我们没有足够的下面问题需要解决吗?但要去月球带我们超出了我们的极限,给我们带来了无数的新技术和太空旅行的场景。

估计在2050年之前把人类送上火星的范围从约2000亿美元到1万亿美元,许多方面仍未定义,是有争议的。

要花多少精力和金钱应该建立一个数字拷贝我们的大脑是一个活的图书馆的设计,它是如何工作的和所有的方法在疾病可能出错?我相信这是不可避免的,但这将需要多长时间来完全成熟是困难的。我会考虑它成功即使最终只是打开道路为下一代,就像第一次飞行。