Sebastian Seung: Ik ben mijn connectoom

We leven in een opmerkelijke tijd, de tijd van het genoom-onderzoek. Je genoom is de volledige moleculereeks van je DNA. Jouw reeks en de mijne verschillen lichtjes. Daarom zien we er anders uit. Ik heb bruine ogen. Jij hebt er misschien blauwe of grijze. Maar dit gaat dieper dan het uiterlijk. De krantenkoppen vertellen ons dat genen ons enge ziektes kunnen bezorgen, misschien zelfs onze persoonlijkheid vormen, of dat ze ons mentale afwijkingen kunnen geven. Onze genen lijken wel een ontzagwekkende macht over ons lot te hebben. En toch zou ik willen denken dat ik méér ben dan mijn genen. Wat denken jullie ervan? Zijn jullie meer dan jullie genen? (Publiek: Ja.) Ja? Ik denk dat sommigen het met me eens zijn. Misschien moeten we er een statement van maken. Laten we het allemaal samen zeggen. Vooruit: "Ik ben méér dan mijn genen" -- allemaal samen. Iedereen: Ik ben méér dan mijn genen. (Gejuich) Sebastian Seung: Wat ben ik? (Gelach) Ik ben mijn connectoom. Nu, omdat jullie zo'n geweldige mensen zijn, kunnen jullie me een plezier doen en dat ook samen zeggen. (Gelach) OK. Allemaal samen nu. Iedereen: Ik ben mijn connectoom. SS: Dat klonk geweldig. Weet je, jullie zijn zo geweldig, jullie weten nog niet eens wat een connectoom is, en jullie spelen het spelletje mee. Ik zou nu gewoon naar huis kunnen gaan.

Welnu, tot op vandaag is er slechts één connectoom bekend, dat van deze minuscule worm. Zijn bescheiden zenuwstelsel bestaat uit slechts 300 neuronen. En in de jaren '70 en '80 heeft een team wetenschappers alle 7000 verbindingen tussen de neuronen in kaart gebracht. In dit diagram is elk knooppunt een neuron, en elke lijn een verbinding. Dit is het connectoom van de worm C. elegans. Jouw connectoom is veel ingewikkelder dan dit, omdat je brein uit 100 miljard neuronen bestaat en 10.000 maal zoveel verbindingen. Er is een diagram zoals dit voor jouw brein, maar er is geen enkele manier om het in deze dia te proppen. Jouw connectoom bevat een miljoen keer meer verbindingen dan je genoom letters heeft. Dat is een hoop informatie.

Wat zit er in die informatie? We weten het niet zeker, maar er zijn theorieën. Sinds de 19de eeuw hebben neurowetenschappers gespeculeerd dat je herinneringen -- de informatie de je maakt tot wie je bent -- misschien opgeslagen zijn in de verbindingen tussen je hersencellen. Misschien zijn andere aspecten van je identiteit -- bijvoorbeeld je persoonlijkheid en intellect -- ook gecodeerd in de verbindingen tussen je neuronen. Nu wordt het duidelijk waarom ik deze hypothese heb voorgesteld: ik ben mijn connectoom. I vroeg jullie niet om het te scanderen omdat het waar is, ik wil gewoon dat jullie het onthouden. In feite weten we niet of deze hypothese juist is, omdat we nooit technologie gehad hebben die krachtig genoeg was om ze te testen. Het vergde meer dan twaalf jaar vervelend werk om dat wormconnectoom te vinden. En om de connectomen van breinen zoals het onze te vinden, hebben we meer geavanceerde en geautomatiseerde technologie nodig. Dat zal het proces versnellen. Gedurende de volgende minuten zal ik jullie wat vertellen over sommige van deze technologieën waar nu aan gewerkt wordt in mijn labo en in de labo's van mijn medewerkers.

Nu hebben jullie waarschijnlijk al wel prenten van neuronen gezien. Men kan ze onmiddellijk herkennen aan hun fantastische vorm. Ze vormen langwerpige en delicate takken, en zien er, kortom, als bomen uit. Maar dit is slechts één neuron. Om connectomen te vinden, moeten we alle neuronen tegelijk zien. Laat me jullie Bobby Kasthuri voorstellen, die in het laboratorium van Jeff Lichtman werkt aan Harvard University. Bobby houdt hier geweldig dunne plakjes van van een muizenbrein vast. En we zoomen in met een factor van 100.000 om de resolutie te verkrijgen die nodig is om de vertakkingen van alle neuronen tegelijk te zien. Maar je kunt ze misschien nog altijd niet herkennen. En dat is omdat we in drie dimensies moeten werken.

Als we veel foto's nemen van veel doorsneden van het brein, en ze op elkaar stapelen, krijgen we een driedimensionaal beeld. En toch kan je misschien de vertakkingen niet zien. Dus beginnen we bovenaan, en kleuren we de doorsnede van één tak rood, En we doen dat voor de volgende plak, en de volgende. En we blijven dat doen, plak voor plak. Als we zo doorgaan door de hele stapel kunnen we de driedimensionale vorm reconstrueren van een klein fragment van een tak van een neuron. En we kunnen dat voor een ander neuron in het groen doen. Je kunt zien dat het groene neuron het rode raakt op twee plaatsen, die we synapsen noemen.

Laten we inzoomen op één synaps. Blijf kijken naar de binnenkant van het groene neuron. Je zou kleine cirkels moeten zien. Dat zijn vesikels. Ze bevatten een molecule die bekendstaat als een neurotransmitter. Als het groene neuron dus wil communiceren- -als het een bericht wil sturen naar het rode neuron- spuugt het neurotransmitter uit. Aan de synaps -zo zegt men- zijn de twee neuronen verbonden zoals twee vrienden die met elkaar telefoneren.

Nu zie je dus hoe je een synaps moet vinden. Hoe vinden we dan een volledig connectoom? Wel, we nemen deze driedimensionale stapel afbeeldingen, en we behandelen het als een gigantisch driedimensionaal kleurboek. We kleuren elk neuron in een verschillende kleur, en dan kijken we naar alle afbeeldingen, zoeken de synapsen en schrijven de kleuren op van de twee betrokken neuronen. Als we dat voor alle afbeeldingen doen, zouden we een connectoom kunnen vinden.

Nu we op dit punt gekomen zijn, hebben jullie een basis van neuronen en synapsen. Ik denk dat we klaar zijn voor één van de belangrijkste kwesties in de neurowetenschappen: Wat is het verschil tussen een vrouwenbrein en een mannenbrein? (Gelach) Volgens dit zelfhulpboek, zijn mannenbreinen als wafels; ze delen hun leven op in hokjes. Vrouwenbreinen zijn zoals spaghetti; Alles in hun leven is verbonden met al de rest. (Gelach) Ja, jullie lachen wel, maar weten jullie dat dit boek mijn leven heeft veranderd? (Gelach) Serieus, wat is hier mis mee? Jullie weten best genoeg. Wat is er mis met deze stelling? Het maakt niet uit of je man of vrouw bent, ieders brein is zoals spaghetti. Of misschien heel dunne cappellini met takjes. Net zoals één sliertje spaghetti verbonden is met vele andere slierten op je bord, raakt één neuron aan vele andere neuronen via hun verstrengelde takken. Een neuron kan verbonden zijn met zoveel andere neuronen, omdat synapsen kunnen voorkomen aan elk van deze contactpunten. Nu hebben jullie misschien het zicht al verloren op de eigenlijke grootte van deze kubus breinmaterie.

Laten we dus een reeks vergelijkingen doen. Ik zal het jullie laten zien. Dit is zeer klein, zes microns per ribbe. Hier zie je hoe dat zich verhoudt tot een volledig neuron. En je kunt zien dat enkel de kleinste fragmenten van de takken in deze kubus zitten. Ja, een neuron is kleiner dan een brein. En dat zijn nog maar muizenhersenen. Het is een stuk kleiner dan een menselijk brein. Als ik dit aan mijn vrienden laat zien, vertellen ze me soms: "Weet je, Sebastian, misschien moet je het maar opgeven. Neurowetenschap is hopeloos." Want als je met het blote oog naar het brein kijkt, zie je niet hoe complex het is. Maar als je een microscoop gebruikt laat de verborgen complexiteit zich eindelijk zien.

In de 17de eeuw schreef de wiskundige en filosoof Blaise Pascal, over zijn afschuw van het oneindige, zijn gevoel van onbenulligheid wanneer hij nadacht over de geweldigheid van de ruimte. En, als wetenschapper, mag ik eigenlijk niet over mijn gevoelens praten. Te veel informatie, professor. (Gelach) Maar mag ik? (Gelach) (Applaus) Ik voel nieuwsgierigheid, en verwondering, maar soms heb ik ook wanhoop gevoeld. Waarom heb ik gekozen om dit orgaan te bestuderen, dat zo ontzagwekkend complex is, dat het wel oneindig zou kunnen zijn. Het is absurd. Hoe zouden we zelfs maar durven denken dat we dit ooit kunnen begrijpen?

En toch zet ik door in deze quichotachtige onderneming. En inderdaad, deze dagen brengen me nieuwe hoop. Op een dag zal een vloot microscopen elk neuron en elke synaps vastleggen in een gigantische database van beelden. En op een dag zullen artificieel intelligente supercomputers de beelden analyseren zonder menselijke tussenkomst, om ze samen te vatten in een connectoom. Ik weet het niet, maar ik hoop dat ik die dag nog zal meemaken. Omdat het vinden van een volledig menselijk connectoom één van de grootste technologische uitdagingen ooit is. Het zal generaties werk vergen om te slagen. Voorlopig mikken mijn medewerkers en ik op een veel bescheidener doel. We willen enkel partiële connectomen vinden van kleine stukjes muizen- en mensenhersenen. Maar zelfs dat zal genoeg zijn voor de eerste tests van de hypothese dat ik mijn connectoom ben. Voorlopig zal ik jullie proberen te overtuigen van de geschiktheid van deze hypothese, dat we ze serieus mogen nemen.

Terwijl je groeit tijdens je kinderjaren, en ouder wordt als volwassene verandert je persoonlijke identiteit langzaam. Op dezelfde manier verandert elk connectoom door de jaren heen. Hoe verandert het dan? Wel, neuronen kunnen, net als bomen nieuwe takken doen groeien, en oude takken verliezen. Synapsen kunnen gecreëerd worden, en geëlimineerd. Synapsen kunnen ook groter en kleiner worden. Tweede vraag: wat veroorzaakt deze veranderingen. Welnu, het is waar; tot op zekere hoogte zijn ze voorgeprogrammeerd in je genen. Maar dat is niet het hele verhaal, er zijn namelijk signalen, elektrische signalen - die langs de takken van de neuronen reizen- en chemische signalen - die van tak tot tak springen. Deze signalen noemt men hersenactiviteit. Er is tevens bewijs te over dat hersenactiviteit onze gedachten, gevoelens en waarnemingen coderen, onze mentale ervaringen. Er is ook bewijs dat hersenactiviteit je verbindingen kan veranderen. Als je deze twee feiten combineert, betekent dat dat je ervaringen je connectoom kunnen veranderen. En dat is waarom elk connectoom uniek is, zelfs die van genetisch identieke tweelingen. Het connectoom is waar 'nature' en 'nurture' elkaar ontmoeten. Het zou zelfs kunnen dat slechts een gedachte je connectoom kan veranderen -- een idee waar je energie uit put.

Wat is er te zien op dit beeld? Een koele en verfrissende waterstroom, zeg je. Wat is er nog te zien? Vergeet de groef in de aarde niet, de rivierbedding. Zonder de bedding zou het water niet weten in welke richting het moest stromen. Met deze stroom zou ik een metafoor willen voorstellen voor de relatie tussen hersenactiviteit en verbinding. Hersenactiviteit verandert voortdurend. Het is zoals het water van de stroom; het zit nooit stil. De verbindingen van het neurale netwerk zetten de weg uit waarlangs de hersenactiviteit gaat. Dus is het connectoom zoals de rivierbedding. Maar er zit meer in de metafoor, want het is waar dat de rivierbedding de stroming van het water gidst; maar over langere periodes herkneedt het water ook de rivierbedding. En zoals ik jullie net vertelde, kan hersenactiviteit het connectoom veranderen. Als jullie me toelaten om te stijgen naar spreekwoordelijke hoogten, herinner ik jullie eraan dat hersenactiviteit de fysieke basis is -- althans, dat denken de neurowetenschappers -- van gedachten, gevoelens, en waarnemingen. We kunnen dus misschien zelfs spreken van de stroom van het bewustzijn. Hersenactiviteit is zijn water, en het connectoom zijn bedding.

Laten we nu dan maar afdalen van de toppen van de metafoor en terugkeren naar de wetenschap. Veronderstel dat onze technologieën om connectomen te vinden werken. Hoe zullen we het testen van de hypothese "Ik ben mijn connectoom" dan aanpakken? Wel, ik stel een directe test voor. Laten we proberen om herinneringen uit connectomen te lezen. Stel je de herinnering voor van lange, getimede reeksen van bewegingen, zoals een pianist die een Beethoven-sonate speelt. Volgens een theorie die dateert van de negentiende eeuw, worden zulke herinneringen bewaard als kettingen van synaptische verbindingen in je brein. Omdat, als de eerste neuronen in de ketting geactiveerd worden, ze berichten sturen door hun synapsen naar de tweede reeks neuronen, die dan geactiveerd worden, en zo verder, zoals een ketting van vallende dominostenen. En deze reeks van neurale activering, wordt verondersteld de neurale basis te zijn van deze reeks bewegingen.

Dus één manier om de theorie te testen is te zoeken naar zulke kettingen in connectomen. Maar het zal niet gemakkelijk zijn, want ze zullen er niet zo uitzien. Ze zullen door elkaar gegooid zijn. We zullen dus onze computers moeten gebruiken om te proberen de ketting te ontwarren. Als we dat kunnen doen, zal de reeks neuronen die we uit die ontwarring halen een voorspelling zijn van het patroon van de hersenactiviteit die wordt afgespeeld in het brein tijdens het herinneren. Als dat een succes zou zijn, zou dat het eerste voorbeeld zijn van herinneringen lezen uit een connectoom.

(Gelach)

Wat een rommeltje. Heb je ooit geprobeerd een circuit te bedraden dat zo ingewikkeld was als het deze? Ik hoop van niet. Maar als je het ooit gedaan hebt, weet je dat het erg makkelijk is om je te vergissen. Vertakkingen van neuronen zijn zoals de draden van het brein. Kan iemand raden wat de totale lengte van de bedrading in je brein is? Ik zal een hint geven. Het is een groot getal. (Gelach) Ik schat miljoenen mijlen. Allemaal samengepropt in je schedel. Als je je dat getal voorstelt, kan je gemakkelijk zien dat er een geweldige kans op bedradingsfouten is in het brein. Inderdaad, de populaire pers houdt van koppen als "Breinen met anorexia hebben andere verbindingen", of "Autistische breinen hebben andere verbindingen". Dit zijn plausibele stellingen, maar eigenlijk kunnen we de bedrading van het brein niet goed genoeg zien om te zeggen of deze echt waar zijn. En dus zullen de technologieën om connectomen te zien ons eindelijk toelaten om verbindingsfouten in het brein te lezen en geestelijke aandoeningen in connectomen te zien.

Soms is het goed om je het meest extreme gevolg van een hypothese voor te stellen om deze te testen. Filosofen kennen dit spelletje zeer goed. Als je gelooft dat ik mijn connectoom ben denk ik dat je ook moet aannemen dat de dood de vernietiging van je connectoom is. Ik vermeld dit omdat er vandaag de dag profeten zijn die zeggen dat de technologie de menselijke conditie fundamenteel zal veranderen en misschien zelfs de menselijke soort zal transformeren. Eén van hun meest gekoesterde dromen is de dood te omzeilen met een techniek die bekendstaat als cryonica. Als je 100.000 dollar neertelt kan je je lichaam na je dood laten invriezen en laten bewaren in vloeibare stikstof in één van deze tanks in een pakhuis in Arizona, wachtend op een toekomstige beschaving die geavanceerd genoeg is om je te doen herrijzen.

Moeten we de moderne zoekers van de onsterfelijkheid belachelijk maken en hen als dwazen bestempelen? Of zullen ze op een dag grinniken op ons graf? Ik weet het niet. Ik test liever wetenschappelijk of hun overtuiging klopt. Ik stel voor dat we proberen een connectoom te vinden van een ingevroren brein. We weten dat schade aan het brein zich voordoet na de dood en tijdens het bevriezen. De vraag is: wist die schade het connectoom uit? Als dat zo is, is er geen enkele manier om de herinneringen van die bevroren breinen terug te halen. Verrijzenis mag dan wel mogelijk zijn voor het lichaam, maar niet voor de geest. Aan de andere kant, als het connectoom nog intact is, kunnen we de stellingen van de cryonica niet zo gemakkelijk bespotten.

Ik heb een missie beschreven die begint in de wereld van het zeer kleine, en ons voortstuwt naar de wereld van de verre toekomst. Connectomen zullen een keerpunt in de menselijke geschiedenis markeren. Terwijl we evolueerden van onze aapachtige voorouders op de Afrikaanse savanne, was onze herseninhoud wat ons onderscheidde. We hebben onze breinen gebruikt om nog verbluffender technologieën te ontwerpen. Ooit zullen deze technologieën zo krachtig worden dat we ze zullen gebruiken om onszelf te kennen door onze breinen af te breken en opnieuw op te bouwen. Ik geloof dat deze reis van zelfontdekking niet enkel voor wetenschappers is, maar voor ons allemaal. En ik ben dankbaar om de kans om deze reis vandaag met jullie te delen.

Bedankt.

(Applaus)