Esileht > ajuteadus, noorele teadlasele > Neuroteaduse tee normaalteaduseni: pigem lõpus kui alguses

Neuroteaduse tee normaalteaduseni: pigem lõpus kui alguses

Minu eelmine postitus, kus ma väitsin, et neuroteadus pole veel normaalteaduse faasis, tekitas ilmselt nii mõneski lugejas vastakaid tundeid. Andres Laan, Cambridge’i Ülikooli neurobioloogia tudeng, võttis kätte ja saatis mulle pikema manitsuse. Avaldan järgnevalt autori loal tema kirja ja vastan sellele lühidalt kommentaaride sektsioonis.

Väide, et ajuteadusel ei ole veel olnud oma Newtonit, kes oleks selle teaduse seadnud kindlatele matemaatilistele alustele, on kuluaarides ringi liikunud vähemalt 10 aastat. Selline probleemi tõstatus, kuigi ta omab pärast Thomas Kuhni tööd teaduse ajaloo teemadel sügavamat sisu, ei ole ju sisuliselt uus. Juba Da Vinci ütles, et ükski teadmine, mis ei võimalda matemaatilise analüüsi rakendamist, ei saa olla kindel. Sarnastest mõtetest inspireerituna on ajaloo jooksul mitmed teadlased proovinud edendada kvantitatiivset bioloogiat. Sellises mõttes on ajuteaduse Newtoniks üritanud saada mitmed väga targad mehed, nende hulgas näiteks Pitts ja McCullogh, kes 1940-70 tegid väga head tööd sensoorsete süsteemide analüüsi ja neuraalsete võrgustike matemaatika kallal ja üritasid ajule läheneda kui kontrollsüsteemile, mida saab analüüsida küberneetika ja informatsiooniteooria meetoditega. Tänapäeval üritavad seda sama lähenemist edasi arendada näiteks Rieke, Bialek ja van Stevenick, kes on keskendunud eelkõige aktsioonipotensiaalide jadade dekodeerimise matemaatiliste aluste loomisele. Nende saavutused on mitmeski mõttes märkimisväärsed, ometigi ei valitse ajuteadlaste hulgas tunnet, et me kuigi hästi mõistame aju kui terviku toimimist.

Isiklikult leian, et idee neuroteaduse Newtonist on pisut absurdne. Aju on eelkõige üks hiiglaslik ja keeruline inseneriprojekt. Mitte kunagi ei saa olema mingisugust ühtset „aju võrrandit” või selle toimimist seletavat skeemi, sest (nagu on väitnud Steven Pinker) aju koosneb diskreetsetest (kuigi omavahel väga tugevasti seotud) organitest, mis täidavad erinevaid ülesandeid. Aju on pigem midagi lennuki või supertankeri laadset – tal on üks terviklik funktsioon, aga ta koosneb paljudest erinevatest seadmetest ja erinevate osade kirjeldamiseks on vaja kasutada erinevaid teooriaid ja matemaatilisi meetodeid. Niisiis pole mõtet küsida, miks meil pole ühtset aju teooriat, vaid on vaja spetsiifiliselt uurida, millises vallas on meie teooriad rohkem või vähem terviklikud.

Esiteks peab ütlema, et kindlasti on normaalteaduse faasis üksikute neuronite füsioloogia uurimine. Normaalteaduse faas algas selles valdkonnas pärast Hodgkin-Huxley võrrandite publitseerimist, mis kirjeldasid matemaatilise täpsusega aktsioonipotentsiaali levikut. Sellele võib lisada 1980-90 toimunud revolutsiooni sensoorsete rakkude (eriti fotoretseptorite) uuringutes, tänu millele meil on tänapäeval teada kõikide meelte transduktsiooniprotsesside rakulised ja enamike meelte puhul ka molekulaarsed alused. Mitmes süsteemis on biokeemiliste uuringutega ja andmekogumisega jõutud koguni sellisesse faasi, et matemaatilised mudelid suudavad vastavate rakkude reaktsiooni erinevatele stiimulitele täiuslikult ette ennustada. Sarnaseid järeldusi võib teha ka sünaptilise transmissiooni ja sünaptilise integratsiooni vallas (seal oli teed rajavaiks avastusteks cable theory ja Wilfrid Ralli arvutused signaalide liikumise kirjeldamisel dendriitides). Kõikidel mainitud juhtudel on ühendavaks omaduseks see, et rakkude töötamine on selge mitte ainult eksperimentaalsel, vaid ka kontseptuaal-matemaatilisel tasandil.

Teiseks võib mainida, et 1990-2010 aastatel on esile kerkinud terve kogum uusi artikleid aju üldise füüsilise struktuuri alal, kusjuures need teooriad on „kasutuskõlblikud” teooriad selles mõttes, et suudavad mõnikord teha ka eksperimentaalseid ennustusi. Füüsilise struktuuri koha pealt on nüüdseks selge, et aju ja tema komponentide välimust selgitavaks ühendavaks printsiibiks on „optimal wiring theory”, mis postuleerib, et aju paigutab oma struktuurid niimoodi, et ellu jäämiseks tarvilike arvutuslike ülesannete täitmiseks kuluks võimalikult väike materjali hulk. Aju globaalse struktuuri tasandil on seda teooriat arendanud näiteks Sporns ja Kaas, samas kui lokaalsete võrgustike tasandil on muljetavaldavaid tulemusi saavutanud Chklovskii ja Cuntz. Kuigi antud vallas on veel piisavalt lahendamata probleeme, võib julgelt öelda, et kõige raskem osa, üldise kontseptsiooni leiutamine, mille põhjal uusi mudeleid saab arendada, on nüüdseks läbitud.

Kolmanda suure avastuse aju toimimise üldistest printsiipidest võib kirjutada Simon Laughlini arvele. Tema teedrajav avastus, et kärbse aju optilise keskuse teise kihi visuaalsed neuronid teostavad arvutite pilditöötlusest tuttava grayscale transformatsiooni neuraalse ekvivalendi, pärineb 1981. aastast. See avastus oli seemneks, mille põhjal sai järkjärgult selgeks, et sensoorse informatsiooni analüüs ajus peegeldab analüüsitavate stiimulite statistilist jaotust looduslikes keskkondades. Vastav avastus on üldine, sest ta ületab meelte piire (nt. see kehtib nii haistmis- kui nägemiselundites) ja eelmisel aastal tõestas Eero Simoncelli, et ta ületab ka ajualade piire (näiteks on antud printsiip töös nii võrkkestal kui ka korteksi V1 regioonis).

Piirdun praeguseks nende kolme näitega, aga neile võib lisada veel valdkondi nagu näiteks central pattern generator analysis, bayesian inference in sensorymotor transformations and decision making jmt.

Kui eelmainitud alades on teadlaste pingutused osutunud edukaks, siis kus on edasiminek osutunud vaevalisemaks? Eelkõige on pessimismiks põhjust võrgustike analüüsis. Näiteks väikeaju mikrovõrgustikke (microcircuit) on igal tasandil uuritud vähemalt 120 aastat ja hoolimata nende võrgustike kristalsest organisatsioonist (mis jätab mulje, et nende toimimine peaks olema kuidagi väga lihtsalt kirjeldatav) on meie arusaamine nende toimimisest suures plaanis endiselt vilets, sest on olemas liiga palju võistlevaid ja nõrki ennustusi tegevaid teooriaid. Võrgustike analüüsis pakub progressiks lootust kolm uut aju-uurimise tehnoloogiat – konnektoomika (mis lubab täpselt kirjeldada kõiki ühendusi), kaltsiumi kuvamine (mis lubab sama-aegselt jälgida sadade neuronite tööd millisekundilise täpsusega) ja optogeneetika (mis lubab kontrollida elusorganismis funktsioneerivaid ja geneetiliselt hästi defineeritud neuronite aktiivsust koguni üksikraku tasandil ja millisekundi täpsusega). Aeg näitab, kui palju nendest tehnikatest kasu saab olema.

Kõige hullem on olukord kognitiivse neuroteaduse valdkonnas. Seal on enamik „avastusi” pigem intrigeerivad üksikeksperimendid, mille põhjal on puhutud liiga palju mulle ja tehtud liiga suuri üldistusi. Samas on selline olukord täiesti loogiline, sest selles valdkonnas uuritavad protsesid on üldiselt tunnistatud kõige keerulisemateks protsesideks, nii et pole kuigi üllatav, et selles vallas on vähe edu saavutatud. Isiklikult vaatan hämmastusega antud valdkonnas töötavate inimeste optimismi (ja paljudel juhtudel kahjuks ka rumalust) ja ei suuda kuidagi uskuda, et inimesed tõepoolest arvavad, et pükse on võimalik tagurpidi jalga panna, ehk siis lahendada kõige raskemad küsimused enne, kui lihtsamatele on vastused leitud (kuigi olen valmis tunnistama, et see on pisut „rassistlik” suhtumine ja et sellest vallast on tulnud teadusesse palju väärtuslikke fakte).

Kokkuvõtteks: Väide, et ajuteaduse pole jõudnud normaalteaduse ajastusse on mitmes mõttes sisutu, sest ajuteadus koosneb mitmetest teooriatest ja uurimisvaldkondadest, nii nagu 19 sajandi alguse füüsika oli lõhestunud kolmeks valdkonnaks (termodünaamika, Newtoni mehaanika ning elekter ja magnetism), mille omavahelised seosed ei olnud siis eriti selged. Paljudes ajuteaduse alamvaldkondades on normaalteaduse ajastu kätte jõudnud juba mitukümmend aastat tagasi. Edasiminek keerulisemate protseside uurimises saab ilmselt paljuski sõltuma sellest, kui hästi oleme enestele selgeks teinud lihtsamate protsesside tööpõhimõtted.

  1. jaanaru
    mai 9, 2012, 1:38 p.l.

    Ma tänan Andrest selle põhjaliku noomituse eest. Pole kahtlust, et ma olin oma väidetes liiga bravuurikas ja ebatäpne: pole mõtet panna kogu neuroteadust ühte patta (muuseas, sama tuleks ette heita David Gamezile). Mu eelmise postituse pealkiri oli tõepoolest ülekohtune ja mõttetu, kuna teatud valdkondades on normaalteaduseks tarvilik saavutatud. (Siiski ka nendes valdkondades oleksin ma kohati pisut pessimistlikum kui Andres. Näiteks ehkki üksikneuronite uurimises on normaalteaduslik faas saavutatud, pole seal siiski kõik selge. Muuhulgas on dendriitilisete arvutuste vallas viimase dekaadi jooksul mitmeid põhimõttelisi arusaamu muutunud ja muutumas (nt Sakmanni, Larkumi, Häusseri jt tööd) ja siiani pole päris selge, mis värk nende dendriitiliste spainidega on (Rafael Yuste tööd) /aga ilmselt oli see „selge“ seal Andese postituse kolmanda lõigu lõpus vaid ebaõnnestunud sõnavalik ja autor seda tegelikult päris nii rangelt ei mõelnudki/.)

    Niisiis oleks olnud korrektne sõnastada mu eelmise postituse pealkiri täpsemalt: „Kognitiivne ja süsteemi neuroteadus: tee normaalteaduseni“. Kui ma pealkirja oleksin nii kirjutanud, siis polekski Andresel vist üldse olnud põhjust oma mõtteid paberile panna, sest antud kirjatööst näib, et ta nõustuks minuga, et nii süsteemi neuroteadus kui ka kognitiivne neuroteadus on tõepoolest alles teel normaalteaduse juurde (nt võrgustike uurmise kohta kirjutab ta „… on olemas liiga palju võistlevaid ja nõrki ennustusi tegevaid teooriaid“, mis sobib Kuhni kirjeldusega normaalteadusele eelnevast ajast ja ka minu eelmise postituse sissejuhatava lõiguga).

    Seega põhimõtteliselt oleme me Andresega üsna sarnastel seisukohtadel, mina lihtsalt olin ebatäpne oma väidete esitamisel. Niisiis ei olegi justkui millegi üle edasi diskuteerida. Kuna Andres siiski võttis oma väärtuslikku aega, et mulle kirjutada, siis ma panen järgnevalt kirja ühe lühikese arutluspunkti selle kohta, kas me üldse saaksime jõuda mingisuguse üldteooriani ajust. Ehk kellelgi kerkib selle põhjal veel mõni mõte.

    Nimelt ehkki ma aja jooksul olen selles suhtes muutunud pessimistlikumaks (ja seega osati nõustuksin Andrese väitega, et „Mitte kunagi ei saa olema mingisugust ühtset „aju võrrandit” või selle toimimist seletavat skeemi„), olen ma endiselt piisavalt naiivne, lootmaks et ehk see on siiski vähemalt mingil tasemel võimalik, eriti just süsteemi tasemel. Lootust annab eelkõige see, et paar olulist mõtlejat (nt Karl Friston või Jeff Hawking) on üritanud luua kas väga üldise taseme kirjeldusi (mõlemad) või lausa mingit differentsiaalvõrrandite süsteemi (Friston), mis selgitaks üldplaanis, miks ja kuidas aju töötab. Neid lähenemisi on üldjuhul tervitatud ja mõnes mõttes isegi tundub, et süsteemi neuroteadus on vaikselt tõepoolest teel normaalteaduseni, kus paradigmaks võib kerkida „aju ja aju võrgustikud üritavad pidevalt ette aimata erineva taseme aktiivsusmustreid ja vähendada mälu-põhise ennustuse ja sisendi poolt tekitatud aktiivsuse erinevust“ (selle paradigma kerkimisele on teiste hulgas kaasa aidanud ka Helmholtz, Grossberg, Mumford, Rao & Ballard, Llinas jt).

  2. A. Laan
    mai 10, 2012, 8:59 e.l.

    Fristoni ja ka Hawkingi töö puhul tundub mulle, et nad üritavad väljaspool ajuteadust tekkinud ideid ja kontseptsioone kangesti aju peale suruda. Sellega võrreldes olid Pittsi ja McCullogh tööd huvitavamad, sest nemad alustasid aju uurimisest ja lõid selle põhjal teooriaid, mis tänapäeval leiavad rakendust väljaspool neuroteadust. See muidugi ei tähenda, et Hawkingil õigus ei oleks, tema ideede üldine suund vähemalt paistab olevat paljudes ringkondades üldiselt aksepteeritud.

  3. ökul
    mai 11, 2012, 10:01 e.l.

    Ma kaldun ka pooldama induktiivset, ajust neurobioloogiast formalismideni viivat lähenemist. (See muidugi ei tähenda, et meie ajuteadust üldisemad “väljastpoolt tulevad” käsitlused soodsalt mõjutada ei tohiks.) Ja samuti ei poolda ma seisukohta, et ilma üldise (newtonliku või hawkinliku) paradigmata ajuteadus eelteaduslikus seisus on. Kui me oleme saanud korduvuurimustes ilusasti näidata, kuidas registreeritud ajuprotsessid (a) reeglipäraselt korreleeruvad kindlate käitumuslike ja mõõdetavate tunnetusprotsessidega ning (b) teatud moel neid protsesse mõjutades reeglipärased ennustatavad käitumuslikud efektid ja tunnetusprotsesside efektid esile tulevad, moodustab see üsna ilusa ajuteaduse, Aju- ja käitumuslik neurobioloogia ja psühhofüsioloogia ei peagi ilmtingimata olema üldfüüsikat jäljendav. (Mis ei välista, et millalgi osa sellest selliseks muutub.)

  4. jana
    mai 11, 2012, 2:21 p.l.

  1. No trackbacks yet.

Lisa kommentaar

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Muuda )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Muuda )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Muuda )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Muuda )

Connecting to %s