16 歳のとき、ダニエル・バセットは、前腕のズキズキする痛みを無視して、1 日のほとんどをピアノで過ごし、指を鍛えようとしました。彼女は音楽のキャリアを追求することを望んでおり、絶え間ない練習セッションを自分に割り当てていました。しかし、ヨハネス・ブラームスの熱狂的な ロ短調のラプソディ をリハーサルすればするほど、 彼女の家族のスタインウェイで、何かがおかしいことが明らかになりました.最後に、外科医はそれを確認しました:疲労骨折により、彼女は1年間器具を放棄することを余儀なくされました.
「私の人生に残されたものはかなり暗いものでした」とバセットは言います。ペンシルベニア州中部の田園地帯でのホームスクーリングでの彼女の生い立ちは、数学、科学、芸術への愛情を植え付けていました。しかし、17 歳までに、両親が大学に通うことを思いとどまらせ、鍵から離れている間に技術を失ったことに落胆した彼女は、主婦および母親としての責任がキャリアの希望をすぐに覆すだろうと予想していました。 「その計画には満足できませんでした」と彼女は言います。
代わりに、バセットは、現在ネットワーク神経科学として知られている、ほとんど未知の科学分野での研究生活に身を投じました。博士号物理学者であり、32 歳までにマッカーサー フェローとなった彼女は、物理学と数学の概念を使用して人間の脳内の動的な接続を説明する先駆者となりました。 「彼女は今やネットワーク科学の第一人者です」とユニバーシティ カレッジ ロンドンの理論神経科学者 Karl Friston は言います。 「彼女は正式な物理学のバックグラウンドを持っていましたが、神経科学の最も深い問題に直面していました。」
現在 37 歳のバセットは、ペンシルバニア大学 (UPenn) で研究室を運営しており、むち打ち症を誘発するさまざまな問題に取り組んでいます。ある朝の会議からのサンプリング:私たちの脳は、物理空間をナビゲートするのと同じように、書かれたテキストの単語をナビゲートしますか?大学生の脳の構造は、社会的ネットワークの構造と相互作用して、アルコールを控える能力に影響を与えるのでしょうか?マウスの脳内の接続ネットワークは、病気の原因となるタンパク質がどのように拡散するかを予測しますか?
他のプロジェクトでは、子供の頃から本とピアノに情熱を傾けてきた彼女を魅了してきたテーマ、つまり学習と習熟に焦点を当てています。 Bassett は、ネットワークを使用して脳と学習内容の両方を表すことにより、学習を最適化する方法を見つけたいと考えています。
「保守的で懐疑的で用心深くしようとするほとんどの思慮深い科学者のところに来て、ダニの研究プログラムがどうなるかを彼らに詳しく説明した場合、彼らはその大きな問題を噛み砕こうとしている人の正気を疑うでしょう.ペンシルバニア州立大学ステート カレッジの脳神経外科医で、バセットの業績の崇拝者でもあるスティーブン シフは言います。
しかし、バセットは日常的に専門分野の境界を無視し、彼女の好奇心に従います。 「私がネットワーク科学について素晴らしいと思うのは、それを使用して、非常に複雑なシステムについて非常に単純な直感を導き出すことができるということです..」
自然界で最も厄介な毛玉の 1 つである 860 億個のニューロンからなる思考器官を単純化して一連の数式にしようとする試みは、一部の神経科学者にとって遅れをとっています。ネットワーク科学は「脳を見る新しい方法です」とボストンのハーバード大学医学部の神経科学者であるマーサ・シェントンは言います。 「これは科学の進歩です。私はそう信じています。しかし、それが私たちにどれだけの情報を与えるかはまだわかりません。」また、Bassett の方程式のツールボックスが、脳障害の標的刺激などの治療に役立つ信頼できる予測を行えるかどうかはまだわかっていません。
しかし、神経科学は理論に飢えていると、カリフォルニア大学 (UC) サンタバーバラ校の認知神経科学者 Michael Gazzaniga は言います。 「ニューロンがどのように行動、精神、およびこれらすべてを生成するかを理解するために、フレームワークを完全に把握していないという不安が広まっていると思います」と彼は言います.
バセットは、脳の高次組織を捉えるための新しい理論に賭けている物理学者と数学者の世代の一員です。 「彼らはそれらを裏付ける数学を持っています…そしてそれは生物学のシーンに途方もない力をもたらします」とGazzanigaは言います. 「科学の偉大な進歩は不法侵入から生まれる」と彼は付け加え、先駆的な心理学者であるヴォルフガング・ケーラーの言葉を言い換えている. 「そして、ダニは侵入者です。」
珍しい教育
最近の火曜日の午後、バセット（短い髪が右目の前にこっそりと忍び寄る小柄な人物）は、クラウディウス・プトレマイオスの大きな、金色の縁取りのあるボリュームでクラスの前に立っています。このコースでは、学部生と大学院生を対象に、脳をネットワークとして表現する方法を教えています。これは、ペアワイズ接続または「エッジ」によって結合された一連の「ノード」です。研究によっては、研究者はノードを個々のニューロンまたはより大きな脳領域として定義する場合があります。また、神経線維によって物理的に接続されているノードや、同時にアクティブになる傾向があるノード間にエッジを描く可能性があります。このアプローチは、神経科学の基本的な前提を形式化します。つまり、私たちの思考、感覚、および経験は、脳の接続されたコンポーネントが相互作用するときに現れるということです。
でもまずはプトレマイオス。 Bassett は、特徴的に構成された形式的な口調で、2 世紀のギリシャの天文学者の有名な論文、The Almagest を声に出して読み上げます。 :「可能な限り単純な仮説を天の動きに当てはめようとするのは適切である.これがうまくいかない場合,どんな仮説も可能である.」彼は、惑星運動の地球中心説の明らかな矛盾に取り組んでいました。私たちが今知っている彼の理論は、崩壊する運命にありました。しかし、彼のメッセージは良いものでした、とバセットはクラスに次のように語っています:最も単純な仮説を目指して努力してください.
古代人の言葉を引用するバセットの傾向は、彼女の異常な教育を反映しています。 11 人の子供たちをホームスクーリングした母親のホリー・ペリーは、彼女の目標は「子供たちが学びたいことは何でも独学で学ぶ方法を教えること」だったと言います。バセットは天性の独学だった。 「彼女が何かに興味を持っていると判断したとき、彼女はそれについてすべてを知るまで止めることができませんでした」とペリーは言います.
バセットの双子の兄弟で、ワシントン D.C. のアメリカン大学の哲学者であるペリー ザーンは、ホーム スクーリングを研究と表現しています。彼らはトピックを選択し、そのプロジェクトが伝統的な学校の科目のどこに位置するかをほとんど考慮せずに、その周りに一連のプロジェクトを構築していました.
彼女の子供たちがバセットで立ち往生している主要なテキストを優先するというペリーの主張。時代遅れでエイリアンのように聞こえる散文を読むと、心が「はるかに大きな空間」に揺さぶられると彼女は言います。双子は今、彼らの教育を「本当に素晴らしい」「本当に素晴らしい」と表現しています。しかし、彼らの両親の保守的なキリスト教は、彼らが熱望できるものを形作った. 「私たちは二人とも女性として理解されて育ったので、大学に行くことを積極的に思いとどまらせていました」と、トランスジェンダーである Zurn は言います。
バセットがピアノをやめた後、父親は彼女が看護学校に通うことを許可しました。 「彼はついに私に少し余裕を与えてくれたので、私はそれを取るべきだと考えました」と彼女は言います. (彼女の父親、ジョン・ペリーは、「良き妻であり母親であることは高い使命だと感じていた」としながらも、子供たちに大学やキャリアをやめさせたことは一度もないと主張している.)
孤立した子供時代は、バセットにとって耳障りな伝統的な学校に移りました。 「誰かが冗談を言ったときに、適切なタイミングで笑えるようになるまでには長い時間がかかりました」と彼女は言います.そして、看護学校は不適合でした。病気や死に直面したことで、彼女は疲れ果てた.
1年半後、彼女は家族の期待を完全に裏切りました。彼女は看護学校を中退し、物理学を勉強するためにペンシルベニア州立大学に出願しました。 「クリーンでフォーマルなことをしたかっただけです」と彼女は言います。
グラフで考える
Bassett の火曜日の授業が始まって 1 時間後、生徒たちはラップトップを取り出し、学習に関する彼女の最新の研究の 1 つの対象になります。画面には、予測、ネットワーク、行動、神経疾患など、彼女がコースから選択した約 50 の概念の雲が表示されます。線を引いて関連する単語やフレーズを結び、線を伸ばして異なる概念の間に距離を置きます。 Bassett は、コースのさまざまなポイントでマップの構造を比較し、クラスの読書と講義の影響を測定し、ネットワーク構造とテストの点数の間の相関関係を探します。
この研究は、バセットの物理学の学位とはかけ離れたものに思えます。しかし、その研究 (および彼女の研究室の他のほぼすべてのプロジェクト) の根底にあるのは、グラフ理論と呼ばれる数学の一分野です。 18 世紀にルーツを持つこのアプローチは、ソーシャル メディアでつながっている友人や砂の山の中の穀物など、離散的で相互作用する部分のネットワークの構造を説明しています。
研究者はまず、ネットワーク内のすべてのノード間の関係を計算します。最も単純なケースでは、0 (接続されていない) または 1 (接続されている) のいずれかです。次に、ネットワークの機能について質問します。それはまばらなウェブですか、それとも接続の密集したジャングルですか?特定のノードに異常に多くの接続がありますか?ノードは、ほとんどが相互に通信する緊密なモジュールに自分自身を編成する傾向がありますか?
1990 年代に、数人の研究者が動物の神経系の配置を説明するためにこのようなグラフを作成し始めました。線虫 Caenorhabditis elegans のグラフ 小さなワームが生涯を通じてどのように小刻みに動くかを決定する 302 個のニューロン間のすべての接続を含めることができます。哺乳類の脳はニューロンごとにマッピングするには大きすぎて複雑すぎたため、研究者は、ニューロンに沿ったトレーサー分子の流れに従って、サルとネコの皮質の数十の広い領域間の接続を分析しました。
神経科学者の Olaf Sporns は、ネットワーク神経科学になる分野について、「私たちは完全に無名で研究を行っていました」と述べています。現在ブルーミントンのインディアナ大学にいる Sporns は、グラフ理論を使用して人間の脳内の接続を分析した最初の人物の 1 人でした。利用できるデータセットはほとんどなかったと彼は言います。しかし、彼と彼の共同研究者たちは、脳の構造が思考と意識をどのように生み出すかを説明するのにこのアプローチが役立つことを望んでいました.
2000 年代半ばまでに、グラフ理論の応用はより野心的になりました。英国のケンブリッジ大学の神経精神科医エドワード・ブルモアのグループは、機能的磁気共鳴画像法 (fMRI) で記録された人間の脳活動を分析するためにそれを使用しました。これは、どの領域が一斉に活動しているかを示すことができる技術です。
「[私たちが]これまで測定されていなかった人間の脳ネットワークのこれらの特性を調査し始めたのは、非常にエキサイティングな時期でした」とブルモアは言います。 「ダニが研究室で働き始めたのはその頃でした。」ブルモアは、バセット博士の 4 人のアドバイザーの 1 人でした。ケンブリッジと米国国立衛生研究所が後援するプログラム。彼女はグラフ理論で走り始めたと、ブルモアは回想し、その用途を新しいタイプの脳データにまで広げました。
ある研究では、Bassett は統合失調症の患者とない患者の MRI データを分析しました。この状態は、いずれかの領域の欠陥ではなく、広く混乱した脳活動から生じるようです. Bassett と同僚は、グラフ理論がその無秩序を説明する新しい方法を提供することを示しました。統合失調症の脳は、健康な脳よりもランダムな接続パターンを示し、それらのハブ (最も高度に接続された領域) は、脳を実行制御する領域である前頭葉にある可能性が低かった.その発見は、統合失調症の症状のいくつかと一致しています。つまり、計画、意思決定、行動の調整などの実行機能の欠損です。しかし、それはそれらを説明しませんでした.
また、一部の神経科学者は、ネットワーク科学の初期の結果に感銘を受けませんでした.ブルモア氏は、脳ネットワークのグラフは「神経系を根本的に単純化したものであることは明らかです」と述べています。 「主な批判は常に、『私たちが理解しようとしているシステムの複雑さを考えると、これは単純すぎて意味がないのではないか?』というものでした。」
Bassett は、グラフ理論に別の制限があることを発見しました。 「何かの構造を特徴付けるのに最適ですが、必ずしもそれが何をするかというわけではありません」と彼女は言います。グラフは静的ですが、アクティブな脳は接続パターン間を流れます。バセットがカリフォルニア大学サンタバーバラ校のポスドクに移ったとき、彼女はネットワークの研究に別の種類の分析を追加しました。それは動的システム理論であり、ネットワーク構造がどのように変化するかをモデル化する方法です。 「Dani はゲームに時間を持ち込むことに長けています」と Sporns は言います。
重要な実験で、バセットは人々を研究し、スタッフが譜表の一連の音符を読むことによって、特定の順序で指をすばやくタップすることを学びました。シーケンスは正確にはブラームスのラプソディではありませんでした。それぞれがわずか12音の長さでした。しかし、参加者はそれらを習得するのに時間がかかりました。 3 回のトレーニング セッション中、彼らは fMRI スキャナーに横になり、指の動きを練習しました。
Bassett のグループは、参加者が学習中に互いに優先的に会話する一連の脳領域の経時変化を捉えました。研究者は、全体的な「柔軟性」の数学的尺度を作成しました。これは、地域が「モジュールへの忠誠心」を変更し、異なるパートナーのセットと同期する可能性がどの程度であるかです。研究者が発見した練習セッション中の脳の柔軟性は、その人が次のセッションで音符シーケンスをどれだけ速く演奏できるかを予測しました.
2011年に発表されたこの研究は、脳の構成の測定可能で予測可能な特徴が学習の準備を整えることができることを示唆しています.それは「多くの人々の注目を集め始めた」と、2014年の賞にバセットを選ぶ際の仕事を指摘したマッカーサーフェロープログラムの代表を含め、バセットは言います. UPenn で研究室を立ち上げたばかりの Bassett は、学術的なスポットライトを浴びていることに気づきました。彼女が 18 歳のときに別居した両親は、彼女を応援しました。
健全な野心
Bassett は現在、活発なネットワークのハブとなっていますが、この役割は必ずしも彼女に適しているとは限りません。招待講演の果てしない巡回で、彼女はホテルの部屋で孤独を求めています。彼女はグループでのやり取りを避け、研修生や協力者との 1 対 1 のコミュニケーションを好みます。
しかし、これらのペアワイズ接続のいくつかは、広範囲に及ぶ効果をもたらしました. 2013 年、サンタバーバラの太平洋を見下ろすベンチで、彼女と機械エンジニアのファビオ パスクァレッティ (当時はポスドク仲間) は、自分たちの志を共有していることに気付きました。彼らは、ネットワーク科学が脳を説明するだけでなく、それを変える方法を提供できるかどうか疑問に思っていました.パスカレッティは制御理論を研究しています。制御理論は、センサーとフィードバックを使用してシステムの動作を導く工学の一分野で、それが配電網であろうと戦闘機であろうと関係ありません。彼とバセットは、制御理論の原理を脳のネットワークに適用することは可能だろうか?
2015 年に発表された最初の研究で、Bassett と Pasqualetti は、脳内の水の拡散を追跡して神経線維の束によって接続された領域を特定する MRI ベースの技術からのデータを使用して、脳構造をモデル化しました。その情報を制御理論からの方程式に入力することで、彼らは脳の領域を特定し、それが活動しているときに他のさまざまな状態に移行するのに役立つ可能性があります。 「正直なところ、これがうまくいくと仮定するのは大きな飛躍でした」と、現在 UC Riverside にいる Pasqualetti は言います。
「これは非常に重要な貢献です」とイタリアのパドヴァ大学の計算神経科学者 Marco Zorzi はこの論文について述べています。科学者たちはすでに、重度のうつ病や脳卒中後の障害など、さまざまな状態を改善するために脳をザッピングする実験を行っています.しかし、頭皮の磁気刺激に依存することが多いこのアプローチには、試行錯誤が必要です。制御理論は、研究者が脳をより健康な状態に確実に導くために、脳のどこをどの強度で刺激するかを決定するのに役立つ可能性があります.
それでも、Zorzi 氏は「まだ準備ができていません」と述べています。制御理論に基づいた刺激プロトコルを開発するには、「もっと理論的な作業が必要です」と彼は言います。その作業には、望ましい脳の状態を誘導するために必要な刺激点の数を研究することも含まれるべきである、と彼は付け加えます.
Bassett と彼女のチームは現在、制御理論アプローチを改良し、それを使用しててんかん発作における活動の広がりパターンを予測しています。この結果は、医師がどのようにして発作を抑える電気インプラントをより正確に配置したり、手術中に脳組織をより少なく切り取ったりできるかを示してくれることを彼らは望んでいます.
臨床試験を行う前に、Bassett と同僚は、よく知られている告発に対してこの研究を擁護する必要もあります。それは、脳を単純化しすぎているということです。信号は、ニューロン間のすべての接続に沿って予測通りに通過するわけではありません。一部は増幅されます。他のものはそれらを阻害するゲーティングメカニズムに遭遇し、制御理論からの方程式はそれらの詳細を完全には捉えていません. 「それがコントロールの問題を非常に難しくしています」と、コントロール理論を研究している元てんかん外科医のシフは言います。 「これは、私たちが入り始めたばかりの巨大なフロンティアです。」
それに応じて、バセットはプトレマイオスをチャネリングします。 「物理学者は…比較的単純なモデルから始め、必要に応じてそれらのモデルを拡張します」と彼女は言います。 「パラメータがいくつかあると、なぜ何かが起こるのかを理解するのが非常に難しくなります。」
自由度
授業から家に帰る車で、バセットの 4 歳の息子、シメオンは、車の後部座席からデイケアの功績を語り、プレイリストを口述します。
バセットが大学に入学したとき、彼女は決して妻にも母親にもならないと誓った。キャンパスで、彼女は、家族が主張していた主婦の役割が、時々落胆していることに気づきました。しかし、彼女は 2006 年に結婚した物理学の学生仲間である Lee Bassett に出会いました。2 人とも現在 UPenn で教えており、2 人の子供の最初の 1 人は 2011 年に生まれました。
その夜、就寝前に本を読んだ後 (The Berenstain Bears シメオンと子供向けファンタジー小説 モスフラワー Silas の場合)、Bassett はサワー チェリー風味のサワー ビールの缶を開けて、彼女自身のお気に入りの 1 つを取り出します。 .その中でグランビルは、自然界に対する人類の無知に驚嘆し、科学と宗教の両方に対する盲信を非難している. Bassett は余白にメモを散りばめました.
リビングルームのホールの下にはスタインウェイのグランドピアノがあり、彼女の音楽への愛情の証です。これは、バセットが 625,000 ドルのマッカーサー賞でこれまでに行った唯一の購入です。今のところ、彼女の研究室は資金調達に苦しんでいません。しかし、使わないお金は自由を意味します。アイデアが彼女の想像力を刺激し、資金提供者が彼女を支持しない場合、彼女はとにかくそれを追いかけるつもりです.
*訂正、4 月 11 日午前 11 時 55 分: バセットの母親の要請により、名前をホリー ペリーに変更しました。
