Sebastian Seung: Ich bin mein Connectome

Wir leben in einer bemerkenswerten Zeit dem Genzeitalter. Ihr Genom is die komplette Sequenz ihrer DNA. Ihre und meine Sequenz unterscheiden sich nur wenig. Deshalb sehen wir unterschiedlich aus. Ich habe braune Augen. Sie mögen blaue oder graue haben. Aber dies ist nich nur äußerlich. Die Schlagzeilen berichten, dass Gene schreckliche Krankheiten verursachen können, vielleicht sogar unseren Charakter formen oder psychische Störungen hervorrufen. Unsere Gene scheinen eine seltsame Macht über unsere Schicksale zu haben. Und dennoch, ich gehe davon aus, dass ich mehr bin als meine Gene. Was denken Sie? Sind sie mehr als Ihre Gene? (Zuschauer: Ja.) Ja? Ich denke einige stimmen mir zu. Ich denke wir sollten ein Statement abgeben. Ich denke wir sollte es alle gemeinsam sagen. In Ordnung: "Ich bin mehr als meine Gene" – alle gemeinsam. Alle: Ich bin mehr als meine Gene. (Jubel) Sebastian Seung: Was bin ich? (Gelächter) Ich bin mein Connectome. Nachdem das so gut mit euch geklappt hat könnt ihr mir vielleicht den Gefallen tun und dies ebenfalls gemeinsam sagen. (Gelächter) Genau, jetzt alle gemeinsam: Alle: Ich bin mein Connectome. Sebastian Seung: Das klang Klasse. Wisst ihr, ihr seid klasse, ihr wisst noch nicht mal was ein Connectome ist und seid bereit mitzumachen. Ich kann jetzt nach Hause gehen.

Nun, bisher ist nur ein Connectome bekannt, jenes dieses kleinen Wurms. Dieses schlichte Nervensystem besteht aus gerade 300 Neuronen. In den 70ern und 80ern kartierte ein Team aus Wissenschaftlern alle 7000 Verbindungen zwischen den Nervenzellen. In diesem Diagramm ist jeder Knoten eine Nervenzellen und jede Linie ist eine Verbindung. Dies ist das Connectome des Wurms C. elegans. Euer Connectome ist wesentlich komplexer als jenes, weil euer Gehirn über 100 Milliarden Nervenzellen und 10 000 mal mehr Verbindungen beinhaltet. Es gibt ein ähnliche Graphik für euer Gehirn, es würde aber niemals auf diese Folie passen. Euer Connectome beinhaltet eine Milliarde mal mehr Verbindungen als euer Genom Buchstaben hat. Das ist eine Menge Information.

Welche Information? Wir wissen es nicht genau, aber es gibt Theorien. Seit dem 19. Jahrhundert haben Neurowissenschaftler spekuliert dass vielleicht eure Erinnerungen – die Informationen, die euch ausmachen – dass diese Erinnerungen in den Verbindungen zwischen den einzelnen Nervenzellen eures Gehirns gespeichert sind. Und vielleicht andere Aspekte euerer Persönlichkeit – vielleicht eure Persönlichkeit und euer Verstand – vielleicht sind sie ebenso in den Verbindungen zwischen den Nervenzellen verschlüsselt. Das ist der Grund warum ich diese Hypothese vorschlage: Ich bin mein Connectome. Ich habe euch nicht gebeten es zu skandieren weil es wahr ist, sondern um euch daran zu erinnern. Und in der Tat wissen wir nicht, ob diese Hypothese richtig ist, weil wir bisher keine Technologie hatten, die mächtig genug ist diese zu testen. Das Connectome des Wurms als Ergebnis braucht mehr als ein Dutzend mühsamer Jahre an Arbeit. Um das Connectome eines Gehirns, so wie euer eigenes, zu finden brauchen wir mehr hoch entwickelte automatisierte Technologien, welche den Prozess des Suchens nach dem Connectome beschleunigt. In den nächsten Minuten werde ich Ihnen etwas über diese Technologien erzählen, welche momentan entwickelt werden; in meinem Labor und in den Laboren meiner Mitarbeiter.

Sie haben vielleicht vorher schon Bilder von Nervenzellen gesehen. Sie können sie sofort erkennen an ihren fantastischen Formen. Sie erstrecken sich als feingliedrige Äste und um es kurz zu machen, sie sehen aus wie Bäume. Aber dies ist nur eine einzige Nervenzelle. Um ein Connectome zu finden müssen wir alle Nervenzellen gleichzeitig sehen. Lernen wir Bobby Kasthuri kennen er arbeitet im Labor von Jeff Lichtman an der Harvard Universität. Bobby hält erstaunlich dünne Schnitte eines Mausgehirns. Wir vergrößern um einen Faktor größer als 100.000, um die Auflösung zu erhalten, so dass wir die Verzweigungen der Nervenzellen gleichzeitig sehen können. Bis auf wenige Ausnahme mögen Sie sie noch nicht erkennen, weil wir dreidimensional arbeiten müssen.

Wenn wir viele Bilder von vielen Teilen des Gehirns nehmen und stapeln, erhalten wir ein dreidimensionales Bild. Und Sie mögen immer noch nicht die Verzweigung sehen deshalb fangen wir oben an und färben die Schnittfläche eines Zweiges in Rot und wiederholen dies für den nächsten Schnitt und für den nächsten Schnitt. Und wir machen das Schnitt für Schnitt. Wenn wir dies für den gesamten Stapel tun können wir eine dreidimensionale Form eines kleinen Teils eines Zweiges einer Nervenzelle rekonstruieren. Wir können das für eine andere Nervenzelle in Grün machen. und sie können sehen, das die grüne Nervenzelle die rote an zwei Stellen berührt, diese Stellen nennen wir Synapsen.

Vergrößern wir eine Synapse und konzentrieren uns auf das Innere der grünen Nervenzelle, dann sehen Sie kleine Kreise. Diese nennen wir Bläschen. Sie enthalten ein Molekül, welches wir als Neurotransmitter kennen. Wenn also die grüne Nervenzelle kommunizieren möchte, um eine Nachricht an die rote Nervenzelle zu schicken, schüttet sie Neurotransmitter aus. An der Synapse sind die beiden Nervenzellen sozusagen verbunden wie zwei Freunde, die telefonieren.

Nun wissen wir, wie eine Synapse zu finden ist. Wie können wir ein gesamtes Connectome finden? Wir nehmen diesen dreidimensionalen Bilderstapel und behandeln ihn als gigantisches dreidimensionales Malbuch. Wir färben jede Nervenzelle in einer unterschiedlichen Farbe und wenn wir alle Bilder betrachten finden wir die Synapsen und beachten wir die Farben der beiden beteiligten Nervenzellen, wenn wir das für alle Bilder machen finden wir ein Connectome.

In diesem Moment habt ihr die Grundkenntnisse über Nervenzellen und Synapsen gelernt. Deshalb denke ich, sind wir in der Lage eine der wichtigsten Fragen der Neurowissenschaft anzugehen: Wie unterscheiden sich die Gehirne von Männern und Frauen? (Gelächter) Laut diesem Sebsthilfebuch sind Männergehirne wie Waffeln; sie gliedern ihr Leben in Kisten. Frauengehirne sind wie Spaghetti; alles in ihrem Leben ist mit allem verbunden (Gelächter) Ihr lacht, aber, wisst ihr, dieses Buch hat mein Leben verändert. (Gelächter) Ernsthaft, was ist daran falsch? Ihr wisst bereits genug um mir zu sagen was falsch ist an dieser Behauptung? Es spielt keine Rolle, ob ihr Mann oder Frau seid, jedes Gehirn ist wie Spaghetti. oder vielmehr wie sehr, sehr feine Capellini mit Verästelungen. So wie ein Strang Spaghetti viele andere Stränge Spaghetti auf eurem Teller berührt, berührt eine Nervenzelle viele andere Nervenzellen durch ihre verzweigten Äste. Eine Nervenzellen kann so viele andere Nervenzellen berühren, weil an diesen Kontaktstellen Synapsen entstehen können. Inzwischen haben Sie vielleicht ein wenig die Perspektive verloren wie groß dieser Würfel Hirngewebe wirklich ist.

Ich zeige Ihnen eine Serie von Vergleichen. Ich versichere ihnen, dies ist sehr klein. Es sind nur sechs Mikrometer. hier im Vergleich zu einer ganzen Nervenzelle und sie sehen, nur die kleinsten Teile der Verästelung sind innerhalb dieses Würfels. Eine Nervenzelle, dass ist kleiner als ein Gehirn. und das ist nur ein Mäusegehirn. Es ist viel kleiner als ein menschliches Gehrin. Wenn ich meinen Freunden dies gezeigt habe, haben sie mir manchmal gesagt, "Weißt du, Sebastian, warum gibst du nicht einfach aus? Neurowissenschaft ist hoffnungslos. Wenn wir ein Gehirn mit unserem bloßen Auge betrachten sehen wir nicht wie komplex es ist, aber wenn wir ein Mikroskop benutzen wird die versteckte Komplexität schließlich aufgedeckt.

Im 17. Jahrhundert schrieb der Mathematiker und Philosoph, Blaise Pascal, über seine Furcht vor dem Unendlichen. sein Gefühl der Bedeutungslosigkeit bei Betrachtung der enormen Ausmaße des Weltalls. Und, als ein Wissenschaftler, sollte ich nicht über meine Gefühle reden. Zu viel Information, Professor. (Gelächter) Aber darf ich? (Gelächter) (Applaus) Ich fühle Neugier und ich wundere mich aber manchmal habe ich auch Verzweiflung gespürt. Warum habe ich mich entschieden dieses in seiner Komplexität so wunderbare Organ dass es vielleicht unendlich ist, zu studieren? Es ist absurd. Wie konnte ich es wagen zu denken, dass wir es jemals verstehen werden?

Und doch, Ich beharre auf diesem abenteuerliche Unterfangen. und tatsächlich habe ich schöpfe ich heutzutage neue Hoffnung eines Tages mit einer Flotte von Mikroskopen jede Nervenzelle und jede Synapse in einer enormen Bilderdatenbank zu erfassen. Und eines Tages, künstlich intelligente Supercomputer diese Bilder ohne menschliche Hilfe analysieren werden und sie in einem Connectome zusammenzufassen. Ich weiß es nicht, aber ich hoffe ich lebe lang genug, diesen Tag zu erleben. Denn das Erfassen eines gesamtes menschliches Connectome ist eine der größten technischen Herausforderungen aller Zeiten Es wird die Arbeit von Generationen brauchen, um erfolgreich zu sein. Zur Zeit arbeiten meine Mitarbeiter und ich, auf ein wesentlich bescheideneres Ziel hin – ein Teil eines Connectomes aus kleinen Stücken von Mäuse- und Menschengehirnen zu finden. Selbst jene Stücke werden ausreichen für die ersten Tests der Hypothese das ich mein Connectome bin. Vorerst lassen sie mich versuchen sie von der Plausibilität dieser Hypothese zu überzeugen dass sie es wirklich wert ist ernsthaft genommen zu werden.

Während sie durch Ihre Kindheut wachsen und altern während des Erwachsenendaseins ändert sich ihre Persönlichkeit langsam. Zugleich ändert sich jedes Connectome mit der Zeit. Welche Art von Veränderungen passieren? Nun, Nervenzellen, wie auch Bäume, können neue Zweige wachsen lassen und alte verlieren. Synapsen können entstehen und beseitigt werden. Synapsen können größer und kleiner werden. Zweite Frage: Was verursacht diese Veränderungen? Nun, es stimmt, dass bis zu einem gewissen Maße wir von unseren Genen bestimmt sind. Dass ist aber nicht ganze Wahrheit, denn es gibt Signale, elektrische Impulse die entlang der Verzweigungen der Nervenzellen wandern sowie chemische Signale welche von Ast zu Ast wandern. Diese Signale werden neuronale Aktivität genannt. Und es gibt eine Menge Hinweise dass in neuronale Aktivität unsere Gedanken, Gefühle und Wahrnehmung sowie unsere geistige Erfahrung verschlüsselt ist. Und es gibt eine Menge Hinweise darauf, dass neuronale Aktivität unsere Verbindungen verändern kann. Und wenn wir diese beiden Tatsachen zusammennehmen bedeutet dies, dass unsere Erlebnisse unser Connectome verändern können. Aus diesem Grund ist jedes Connectome einzigartig, sogar solche genetisch identischer Zwillinge. Im Connectome treffen sich Veranlagung und Erziehung. Es mag stimmen, dass nur der bloße Akt des Denkens unser Connectome verändern kann eine Idee, die sie als bereichernd empfinden.

Was sehen sie in diesem Bild? Sie mögen erwidern: Einen angenehmen erfrischenden Flusslauf. Was noch? Vergessen sie nicht die Vertiefung in der Erde Flussbett genannt. Ohne wüsste das Wasser nicht in welche Richtung es fließen sollte, und mit dem Bach möchte ich eine Metapher vorschlagen: für die Beziehung zwischen neuronaler Aktivität und Verbindung. Die neuronale Aktivität verändert sich konstant. Sie ist wie das Wasser des Bachs; es steht niemals still. Die Verbindungen des neuronalen Netzes im Gehirn bestimmen die Pfade anhand welcher die neuronale Aktivität fließt. Und so ist das Connectome wie das Flussbett. Aber die Metapher ist vielschichtiger. Es stimmt, dass das Flussbett den Fluss des Wassers lenkt, aber über lange Zeiträume verformt das Wasser ebenso das Flussbett. Und wie ich ihnen eben gerade erzählt habe, kann die neuronale Aktivität das Connectome verändern. Und erlauben sie mir in metaphorische Höhen aufzusteigen, ich möchte ich sie daran erinnern, dass neuronale Aktivität die physische Basis – so glauben die Neurowissenschaftler – der Gedanken, Gefühle und Wahrnehmungen ist. Und wir können sogar vom Bewusstseinsstrom sprechen. Neuronale Aktivität ist das Wasser sowie das Connectome sein Bett ist.

Kehren wir von den metaphorischen Höhen zurück zur Wissenschaft. Nehmen wir an unsere Technologien zum Entdecken eines Connectomes funktionieren wirklich. Wie werden wir die Hypothese "Ich bin mein Connectome" testen? Nun, ich schlage einen unmittelbaren Test vor. Lasst uns versuchen Erinnerungen aus einem Connectome auszulesen. Betrachten wir das Gedächtnis als eine lange temporäre Sequenz von Bewegungen, wie zum Beispiel ein Pianist eine Beethoven Sonate spielt. Laut einer Theorie, die auf das 19te Jahrhundert zurück geht werden solche Erinnerungen als Ketten von synaptischen Verbindungen innerhalb unseres Gehirns gespeichert. Wenn die ersten Nervenzellen in der Kette aktiviert werden senden diese durch ihre Synapsen die Botschaft an die zweite Nervenzellen, welche wieder aktiviert wird und so weiter uns so fort, wie eine Kette fallender Dominosteine. Diese Sequenz von neuronaler Aktivität könnte hypothetisch die neuronale Basis solcher Bewegungsabläufe sein.

Eine Möglichkeit die Theorie zu testen ist nach solchen Ketten innerhalb eines Connectomes zu suchen. Das ist allerdings nicht einfach, weil sie natürlich nicht so aussehen. Sie werden chaotisch aufgewickelt sein. Wir müssen also unsere Computer benutzen um diese Ketten zu entwirren. Wenn wir das können, wird die Nervenzellensequenz, die wir durch das entwirren erhalten eine Vorhersage der Muster der neuronalen Aktivität sein welche abgespielt wird während des Erinnerungsprozesses. Wenn wir das geschafft haben, wäre dies ein erstes Beispiel für das Auslesen einer Erinnerung aus einem Connectome.

(Gelächter)

Was für eine Unordnung. Haben sie jemals versucht solch ein komplexes System wie dieses zu verkabeln? Ich hoffe nicht. Aber wenn sie haben, dann wissen Sie, dass sehr leicht Fehler passieren. Die Nervenzellenzweige sind wie Adern des Gehirns. Kann jemand die Gesamtlänge innerhalb Ihres Gehirns schätzen? Ich gebe Euch einen Hinweis. Es ist eine hohe Zahl. (Gelächter) Ich schätze Milliarden von Meilen. Alle verpackt in unserem Schädel. Wenn Sie diese Zahl würdigen, dann können sie leicht erahnen dass es ein großes Potential für Fehlverbindungen im Gehirn gibt. Und tatsächlich, die Boulevardpresse liebt Schlagzeilen wie "Gehirne Magersüchtiger sind anders verknüpft" oder "Gehirne von Autisten sind anders verknüpft." Dies sind glaubhafte Behauptungen, aber in Wahrheit können wir die Verknüpfungen des Gehirns nicht klar genug sehen um dies wirklich zu beurteilen. Deshalb werden uns die Techniken zum Entdecken eines Connectomes endlich erlauben falsche Verknüpfungen im Gehirn auszulesen und Geistesstörungen im Connectome zu entdecken.

Manchmal ist der beste Weg eine Hypothese zu testen die extremsten Folgen zu betrachten. Philosophen kennen diese Vorgehensweise sehr gut. Wenn sie an "Ich bin mein Connectome" glauben, dann müssen sie meiner Meinung nach auch die Idee akzeptieren, dass der Tod die Zerstörung des Connectomes ist. Ich erwähne dies, weil es heutzutage Propheten gibt, die Behaupten das die Technik die menschliche Lebensweise grundlegend ändern wird oder sogar die gesamte Menschheit. Eine ihrer langgehegten Träume ist es, den Tod durch ein Verfahren namens Kryonik zu überlisten. Für 100.000 Dollar können Sie vereinbaren, dass ihr Körper nach ihrem Tod eingefroren und in flüssigen Stickstoff in einem dieser Behälter in einem Lagerhaus in Arizona gelagert wird, um eine zukünftige Zivilisation abzuwarten, die fortschrittlich genug ist um sie wiederzubeleben.

Sollten wir diese modernen Sucher nach Unsterblichkeit verspotten, sie Narren nennen? Oder werden sie eines Tages über unseren Gräbern in sich hineinlachen. Ich weiß es nicht. Ich ziehe es vor ihren Glauben wissenschaftlich in Frage zu stellen. Ich schlage vor wir versuchen ein Connectome in einem gefrorenen Gehirn zu finden. Wir wissen das der Schaden am Gehirn kurz nach dem Tod durch Frost verursacht wird. Die Frage ist: Löscht dieser Schaden das Connectome aus? Wenn das der Fall ist, gibt es keinen Weg, dass eine zukünftige Zivilisation in der Lage sein wird, Erinnerungen aus diesen gefrorenen Gehirnen wiederherzustellen. Auferstehung mag für den Körper funktionieren, aber nicht für den Verstand. Ist andererseits das Connectome immer noch intakt können wir nicht so einfach die Behauptung der Kyonik verspotten.

Ich habe eine suche Beschrieben, welche im Mikrokosmos beginnt und uns in die weite Welt der Zukunft führt. Connectomes werden einen Wendepunkt in der Geschichte der Menschen darstellen. Als wir von unseren tierischen Verwandten aus der afrikanischen Savanne entwickelt haben, zeichneten uns unsere größeren Gehirne aus. Wir haben unsere Gehirne benutzt um immer faszinierendere Technik zu entwickeln Eventuell wird diese Technik in der Lage sein, dass wir uns selber kennenlernen durch Auseinandernehmen und Zusammensetzen unseres eigenen Gehirns. Ich glaube, das diese weiter Reise der Selbsterkenntnis ist nicht nur für Wissenschaftler, sondern für uns alle. Ich bin dankbar für diese Gelegenheit diese weite Reise mit Ihnen heute zu teilen.

Vielen Dank.

(Applaus)