Αυτός ο φυσικός προσπαθεί να κατανοήσει τα μπερδεμένα δίκτυα του εγκεφάλου

Σε ηλικία 16 ετών, η Danielle Bassett περνούσε το μεγαλύτερο μέρος της ημέρας της στο πιάνο, προσπαθώντας να εκπαιδεύσει τα δάχτυλά της και αγνοώντας έναν παλλόμενο πόνο στους πήχεις της. Ήλπιζε να ακολουθήσει μια καριέρα στη μουσική και είχε αναθέσει στον εαυτό της αδιάκοπες προπονήσεις. Αλλά όσο περισσότερο δοκίμαζε την πυρετώδη Rhapsody in B Minor του Johannes Brahms στο Steinway της οικογένειάς της, τόσο πιο ξεκάθαρο γινόταν ότι κάτι δεν πήγαινε καλά. Τελικά, ένας χειρουργός το επιβεβαίωσε:Τα κατάγματα από στρες θα την ανάγκαζαν να εγκαταλείψει το όργανο για ένα χρόνο.

«Αυτό που έμεινε στη ζωή μου ήταν μάλλον ζοφερό», λέει ο Bassett. Η ανατροφή της στο σπίτι της στην αγροτική κεντρική Πενσυλβάνια είχε ενσταλάξει την αγάπη για τα μαθηματικά, τις επιστήμες και τις τέχνες. Αλλά στα 17 της, αποθαρρυνμένη από τους γονείς της από το να πάει στο κολέγιο και απογοητευμένη από την απώλεια των δεξιοτήτων της ενώ ήταν μακριά από τα κλειδιά, περίμενε ότι οι ευθύνες ως νοικοκυρά και μητέρα σύντομα θα επισκίαζαν τις ελπίδες για καριέρα. "Δεν ήμουν ευχαριστημένη με αυτό το σχέδιο", λέει.

Αντ 'αυτού, η Bassett εκτοξεύτηκε σε μια ζωή έρευνας σε ένα σε μεγάλο βαθμό αχαρτογράφητο επιστημονικό πεδίο που τώρα είναι γνωστό ως δικτυακή νευροεπιστήμη. Ένα Ph.D. φυσικός και συνεργάτης του MacArthur από την ηλικία των 32, έχει πρωτοπορήσει στη χρήση εννοιών από τη φυσική και τα μαθηματικά για να περιγράψει τις δυναμικές συνδέσεις στον ανθρώπινο εγκέφαλο. «Είναι πλέον η κυρίαρχη της επιστήμης των δικτύων», λέει ο θεωρητικός νευροεπιστήμονας Karl Friston από το University College του Λονδίνου. "Προερχόταν από επίσημο υπόβαθρο φυσικής, αλλά βρέθηκε αντιμέτωπη με μερικά από τα βαθύτερα ερωτήματα στη νευροεπιστήμη."

Τώρα, 37 ετών, ο Bassett διευθύνει ένα εργαστήριο στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια (UPenn) που αντιμετωπίζει μια ποικιλία ερωτήσεων που προκαλούν χτύπημα. Ένα δείγμα από συναντήσεις ενός πρωινού:Ο εγκέφαλός μας περιηγείται στις λέξεις σε γραπτό κείμενο με τον τρόπο που περιηγούνται στον φυσικό χώρο; Αλληλεπιδρά η δομή του εγκεφάλου των φοιτητών με τη δομή των κοινωνικών τους δικτύων για να επηρεάσει την ικανότητά τους να απέχουν από το αλκοόλ; Το δίκτυο των συνδέσεων στον εγκέφαλο του ποντικιού προβλέπει πώς θα εξαπλωθεί μια πρωτεΐνη που προκαλεί ασθένεια;

Άλλα έργα επικεντρώνονται σε ένα θέμα που την έχει αιχμαλωτίσει από την παιδική της ηλικία το πάθος της για τα βιβλία και το πιάνο:μάθηση και δεξιοτεχνία. Ο Bassett θέλει να βρει τρόπους για να βελτιστοποιήσει τη μάθηση χρησιμοποιώντας δίκτυα που αντιπροσωπεύουν τόσο τον εγκέφαλο όσο και το υλικό που μαθαίνει.

«Αν καταλήξετε στους περισσότερους σκεπτόμενους επιστήμονες, οι οποίοι προσπαθούν να είναι συντηρητικοί, δύσπιστοι και προσεκτικοί, και τους εξηγούσατε ποιο θα ήταν το ερευνητικό πρόγραμμα του Dani, θα αμφισβητούσαν τη λογική οποιουδήποτε που επρόκειτο να δαγκώσει τόσο μεγάλο κομμάτι της επιστήμης», λέει ο Steven Schiff, νευροχειρουργός στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια στο State College και θαυμαστής του έργου του Bassett.

Αλλά η Bassett αγνοεί συνήθως τα πειθαρχικά όρια και ακολουθεί την περιέργειά της με εγκατάλειψη. "Αυτό που νομίζω ότι είναι όμορφο σχετικά με την επιστήμη του δικτύου", λέει, "είναι ότι μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε για να αντλήσετε πολύ απλές διαισθήσεις σχετικά με πραγματικά πολύπλοκα συστήματα που… μοιάζουν απλώς με μια μεγάλη μπάλα μαλλιών."

Αυτή η προσπάθεια να απλοποιηθεί μια από τις πιο τραχιές τρίχες της φύσης - το όργανο σκέψης μας των 86 δισεκατομμυρίων νευρώνων - σε ένα σύνολο μαθηματικών εξισώσεων ήταν δύσκολο για ορισμένους νευροεπιστήμονες να το ξεπεράσουν. Η επιστήμη του δικτύου είναι «ένας νέος τρόπος εξέτασης του εγκεφάλου», λέει η Μάρθα Σέντον, νευροεπιστήμονας στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ στη Βοστώνη. "Αυτή είναι μια πρόοδος στην επιστήμη - το πιστεύω - αλλά μένει να δούμε πόσες πληροφορίες πρόκειται να μας δώσει." Και αν η εργαλειοθήκη των εξισώσεων του Bassett μπορεί να κάνει αξιόπιστες προβλέψεις που παρέχουν πληροφορίες για θεραπείες, όπως στοχευμένη διέγερση για εγκεφαλικές διαταραχές, είναι ακόμα άγνωστο.

Αλλά η νευροεπιστήμη διψά για θεωρία, λέει ο γνωστικός νευροεπιστήμονας Michael Gazzaniga από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια (UC), Santa Barbara. "Υπάρχει μια ανησυχία που νομίζω ότι είναι ευρέως διαδεδομένη ότι δεν συλλαμβάνουμε ακριβώς το πλαίσιο ... για να κατανοήσουμε πώς οι νευρώνες δημιουργούν συμπεριφορά, μυαλό και όλα αυτά", λέει.

Ο Μπάσετ είναι μέρος μιας γενιάς φυσικών και μαθηματικών που στοιχηματίζουν σε νέες θεωρίες για να συλλάβουν την οργάνωση ανώτερης τάξης του εγκεφάλου. «Έχουν τα μαθηματικά για να τα στηρίξουν… και αυτό απλώς φέρνει τεράστια δύναμη στη βιολογική σκηνή», λέει ο Gazzaniga. «Η μεγάλη πρόοδος στην επιστήμη προέρχεται από την καταπάτηση», προσθέτει, παραφράζοντας τον πρωτοπόρο ψυχολόγο Wolfgang Köhler. "Και ο Dani είναι καταπατητής."

Μια ασυνήθιστη εκπαίδευση

Ένα πρόσφατο απόγευμα της Τρίτης, η Μπάσετ —μια ανάλαφρη φιγούρα με κοντά μαλλιά που κρύβεται επίμονα μπροστά στο δεξί της μάτι— στέκεται μπροστά στην τάξη της με έναν μεγάλο όγκο του Κλαύδιου Πτολεμαίου με χρυσές άκρες. Το μάθημα διδάσκει σε προπτυχιακούς και μεταπτυχιακούς φοιτητές να αναπαριστούν τον εγκέφαλο ως ένα δίκτυο — ένα σύνολο «κόμβων» που ενώνονται με ζεύγη συνδέσεις ή «άκρες». Ανάλογα με τη μελέτη, οι ερευνητές μπορεί να ορίσουν τους κόμβους ως μεμονωμένους νευρώνες ή μεγαλύτερες περιοχές του εγκεφάλου. Και μπορεί να σχεδιάζουν άκρες μεταξύ κόμβων που συνδέονται φυσικά με νευρικές ίνες ή που τείνουν να είναι ενεργοί ταυτόχρονα. Η προσέγγιση επισημοποιεί μια βασική προϋπόθεση της νευροεπιστήμης:ότι οι σκέψεις, οι αισθήσεις και οι εμπειρίες μας αναδύονται καθώς αλληλεπιδρούν τα συνδεδεμένα στοιχεία του εγκεφάλου.

Πρώτα όμως ο Πτολεμαίος. Ο Μπάσετ, σε έναν χαρακτηριστικά σύνθεση και επίσημο τόνο, διαβάζει δυνατά από τη διάσημη πραγματεία του Έλληνα αστρονόμου του δεύτερου αιώνα, The Almagest :«Είναι σωστό να προσπαθήσουμε να προσαρμόσουμε όσο το δυνατόν περισσότερο την απλούστερη υπόθεση στις κινήσεις των ουρανών· και αν αυτό δεν πετύχει, τότε κάθε υπόθεση είναι δυνατή». Αντιμετώπιζε φαινομενικές αντιφάσεις στη γεωκεντρική του εξήγηση για την κίνηση των πλανητών. Η θεωρία του, ξέρουμε τώρα, έμελλε να καταρρεύσει. Αλλά το μήνυμά του ήταν καλό, λέει ο Bassett στην τάξη:Προσπαθήστε για την πιο απλή υπόθεση.

Η τάση της Μπάσετ να παραθέτει τα λόγια των αρχαίων αντανακλά την ασυνήθιστη εκπαίδευσή της. Η μητέρα της, Χόλι Πέρι, που εκπαίδευσε τα 11 παιδιά της στο σπίτι, λέει ότι στόχος της ήταν «να τους διδάξει πώς να διδάξουν οι ίδιοι οτιδήποτε ήθελαν να μάθουν». Ο Μπάσετ ήταν ένας φυσικός αυτοδίδακτη. "Όταν αποφάσισε ότι κάτι την ενδιέφερε, δεν μπορούσε να σταματήσει μέχρι να μάθει τα πάντα για αυτό", λέει ο Perry.

Ο δίδυμος αδερφός του Bassett, Perry Zurn, φιλόσοφος στο Αμερικανικό Πανεπιστήμιο στην Ουάσιγκτον, περιγράφει την εκπαίδευση στο σπίτι ως έρευνα. Θα διάλεγαν ένα θέμα και θα έφτιαχναν έναν αστερισμό έργων γύρω από αυτό, χωρίς να λάβουν υπόψη το πού ενέπιπταν αυτά τα έργα μεταξύ των παραδοσιακών σχολικών μαθημάτων.

Η επιμονή της Perry να δίνουν προτεραιότητα στα παιδιά της τα πρωτογενή κείμενα που έχουν κολλήσει με τον Bassett. Η ανάγνωση απαρχαιωμένης πεζογραφίας που ακούγεται εξωγήινη τραντάζει το μυαλό σε «ένα πολύ μεγαλύτερο χώρο», λέει. Τα δίδυμα περιγράφουν τώρα την εκπαίδευσή τους ως «πραγματικά υπέροχη» και «πραγματικά φανταστική». Αλλά ο συντηρητικός Χριστιανισμός των γονιών τους διαμόρφωσε αυτό που θα μπορούσαν να επιδιώξουν. "Επειδή και οι δύο μεγαλώσαμε ως γυναίκες… αποθαρρυνθήκαμε ενεργά από το να πάμε στο κολέγιο", λέει η Zurn, η οποία είναι τρανς.

Μετά την παύση της Bassett από το πιάνο, ο πατέρας της της επέτρεψε να πάει σε σχολή νοσηλευτικής. «Επιτέλους μου είχε δώσει λίγο χώρο και σκέφτηκα ότι έπρεπε να το πάρω», λέει. (Ο πατέρας της, ο Τζον Πέρι, ισχυρίζεται ότι ποτέ δεν αποθάρρυνε τα παιδιά του από το κολέγιο ή την καριέρα, αν και λέει ότι «αισθανόταν ότι το να είναι κανείς καλή σύζυγος και μητέρα ήταν πολύ καλό.»)

Μια απομονωμένη παιδική ηλικία έκανε τη μετάβαση στο παραδοσιακό σχολείο αγχωτική για τον Μπάσετ. «Χρειάστηκε πολύς χρόνος για να νιώσω ότι μπορούσα να γελάσω τις σωστές στιγμές όταν κάποιος έλεγε ένα αστείο», λέει. Και η σχολή νοσηλευτικής δεν ταίριαζε καλά. Οι αντιπαραθέσεις με την αρρώστια και τον θάνατο την άφησαν να αποστραγγιστεί.

Μετά από ενάμιση χρόνο, έσπασε οριστικά τις προσδοκίες της οικογένειάς της. Εγκατέλειψε τη σχολή νοσηλευτικής και έκανε αίτηση στο Penn State για να σπουδάσει φυσική. "Ήθελα απλώς να κάνω κάτι που είναι καθαρό και επίσημο", λέει, "και επίσης, μόνο με βιβλία."

Σκέψη σε γραφήματα

Μια ώρα μετά το μάθημα της Τρίτης της Μπάσετ, οι μαθητές βγάζουν τους φορητούς υπολογιστές τους και γίνονται υποκείμενοι σε μια από τις τελευταίες της μελέτες για τη μάθηση. Οι οθόνες τους εμφανίζουν ένα σύννεφο από περίπου 50 έννοιες που έχει επιλέξει από το μάθημα, όπως η πρόβλεψη, το δίκτυο, η συμπεριφορά και η νευρολογική ασθένεια. Σχεδιάζουν γραμμές για να συνδέσουν σχετικές λέξεις και φράσεις, τεντώνοντας τις γραμμές για να βάλουν απόσταση μεταξύ ανόμοιων εννοιών. Ο Bassett θα συγκρίνει τη δομή των χαρτών σε διαφορετικά σημεία του μαθήματος, θα μετρήσει την επιρροή των αναγνώσεων και των διαλέξεων της τάξης και θα αναζητήσει συσχετισμούς μεταξύ της δομής του δικτύου και των αποτελεσμάτων των τεστ.

Το έργο φαίνεται μίλια μακριά από το πτυχίο φυσικής του Bassett. Αλλά κάτω από αυτή τη μελέτη - και σχεδόν κάθε άλλο έργο στο εργαστήριό της - βρίσκεται ένας κλάδος των μαθηματικών που ονομάζεται θεωρία γραφημάτων. Η προσέγγιση, με ρίζες στον 18ο αιώνα, περιγράφει τη δομή των δικτύων διακριτών, αλληλεπιδρώντων μερών, είτε είναι φίλοι που συνδέονται στα μέσα κοινωνικής δικτύωσης είτε κόκκοι σε ένα σωρό άμμου.

Οι ερευνητές υπολογίζουν πρώτα τις σχέσεις μεταξύ όλων των κόμβων σε ένα δίκτυο:στην απλούστερη περίπτωση, είτε ένα μηδέν (μη συνδεδεμένο) είτε ένα (συνδεδεμένο). Στη συνέχεια, κάνουν ερωτήσεις σχετικά με τις δυνατότητες του δικτύου:Είναι ένας αραιός ιστός ή μια πυκνή ζούγκλα συνδέσεων; Έχουν ορισμένοι κόμβοι ασυνήθιστα μεγάλο αριθμό συνδέσεων; Τείνουν οι κόμβοι να οργανώνονται σε σφιχτοδεμένες ενότητες που μιλούν κυρίως μεταξύ τους;

Στη δεκαετία του 1990, λίγοι ερευνητές άρχισαν να δημιουργούν τέτοια γραφήματα για να περιγράψουν τη διάταξη των νευρικών συστημάτων των ζώων. Ένα γράφημα για το νηματώδη Caenorhabditis elegans θα μπορούσε να περιλαμβάνει όλες τις συνδέσεις μεταξύ των 302 νευρώνων που καθορίζουν πώς το μικροσκοπικό σκουλήκι κινείται στη ζωή. Οι εγκέφαλοι των θηλαστικών ήταν πολύ μεγάλοι και πολύπλοκοι για να χαρτογραφηθούν νευρώνες με νευρώνες, έτσι οι ερευνητές ανέλυσαν τις συνδέσεις μεταξύ δεκάδων ευρειών περιοχών στον φλοιό του πιθήκου και της γάτας σύμφωνα με τη ροή των μορίων ιχνηθέτη κατά μήκος των νευρώνων.

«Δουλέψαμε σε πλήρη αφάνεια», λέει ο νευροεπιστήμονας Olaf Sporns για το πεδίο που θα γινόταν δικτυακή νευροεπιστήμη. Ο Sporns, τώρα στο Πανεπιστήμιο της Ιντιάνα στο Μπλούμινγκτον, ήταν από τους πρώτους που χρησιμοποίησαν τη θεωρία γραφημάτων για να αναλύσουν τις συνδέσεις στον ανθρώπινο εγκέφαλο. Λίγα σύνολα δεδομένων ήταν διαθέσιμα, λέει. Αλλά αυτός και οι συνεργάτες του ήλπιζαν ότι η προσέγγιση θα μπορούσε να βοηθήσει να εξηγηθεί πώς η δομή του εγκεφάλου προκαλεί σκέψη και επίγνωση.

Στα μέσα της δεκαετίας του 2000, οι εφαρμογές της θεωρίας γραφημάτων έγιναν πιο φιλόδοξες. Η ομάδα του νευροψυχιάτρου Edward Bullmore στο Πανεπιστήμιο του Cambridge στο Ηνωμένο Βασίλειο το χρησιμοποίησε για να αναλύσει τη δραστηριότητα του ανθρώπινου εγκεφάλου που καταγράφηκε με λειτουργική μαγνητική τομογραφία (fMRI), μια τεχνική που μπορεί να υποδείξει ποιες περιοχές είναι ενεργές από κοινού.

«Ήταν μια πολύ συναρπαστική περίοδος, όταν [εμείς] αρχίσαμε να… εξερευνούμε αυτές τις προηγουμένως μη μετρημένες ιδιότητες των δικτύων του ανθρώπινου εγκεφάλου», λέει ο Bullmore. «Ήταν περίπου εκείνη την εποχή που ο Dani ξεκίνησε στο εργαστήριο». Ο Bullmore ήταν ένας από τους τέσσερις συμβούλους του Bassett σε ένα Ph.D. πρόγραμμα που χρηματοδοτείται από το Cambridge και τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας των ΗΠΑ. Ξεκίνησε να τρέχει με τη θεωρία γραφημάτων, θυμάται η Bullmore, επεκτείνοντας τις χρήσεις της σε νέους τύπους δεδομένων εγκεφάλου.

Σε μια μελέτη, ο Bassett ανέλυσε δεδομένα MRI από άτομα με και χωρίς σχιζοφρένεια. Η πάθηση φαίνεται να προκύπτει από ευρέως αποδιοργανωμένη εγκεφαλική δραστηριότητα και όχι από ελάττωμα σε κάποια περιοχή. Ο Bassett και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι η θεωρία γραφημάτων προσέφερε έναν νέο τρόπο για να περιγράψει αυτή την αποδιοργάνωση. Οι εγκέφαλοι με σχιζοφρένεια έδειξαν πιο τυχαία μοτίβα συνδεσιμότητας από τους υγιείς και οι κόμβοι τους - οι πιο συνδεδεμένες περιοχές - ήταν λιγότερο πιθανό να βρίσκονται στον μετωπιαίο φλοιό, την περιοχή που ασκεί εκτελεστικό έλεγχο στον εγκέφαλο. Αυτό το εύρημα ευθυγραμμίστηκε με ορισμένα από τα συμπτώματα της σχιζοφρένειας:ελλείμματα σε εκτελεστικές λειτουργίες όπως ο σχεδιασμός, η λήψη αποφάσεων και η ρύθμιση της συμπεριφοράς. Αλλά δεν τους εξήγησε.

Και ορισμένοι νευροεπιστήμονες δεν εντυπωσιάστηκαν από τα πρώτα αποτελέσματα από την επιστήμη του δικτύου. Τα γραφήματα των εγκεφαλικών δικτύων ήταν «προφανώς μια ριζική απλοποίηση του νευρικού συστήματος», λέει ο Bullmore. "Η κύρια κριτική ήταν πάντα, "Δεν είναι πολύ απλό για να έχει νόημα, δεδομένης της πολυπλοκότητας του συστήματος που προσπαθούμε να κατανοήσουμε;""

Ο Bassett είδε έναν διαφορετικό περιορισμό στη θεωρία γραφημάτων. «Είναι υπέροχο για τον χαρακτηρισμό της δομής ενός πράγματος», λέει, «αλλά όχι απαραίτητα αυτό που κάνει το πράγμα». Ένα γράφημα είναι στατικό, αλλά ένας ενεργός εγκέφαλος ρέει μεταξύ μοτίβων συνδεσιμότητας. Έτσι, καθώς η Bassett μετακόμισε στο μεταδιδακτορικό της στο UC Santa Barbara, πρόσθεσε έναν άλλο τύπο ανάλυσης στη μελέτη της για τα δίκτυα:τη θεωρία δυναμικών συστημάτων, έναν τρόπο μοντελοποίησης πώς αλλάζει η δομή του δικτύου. "Ο Dani έχει διαπρέψει στο να φέρει χρόνο στο παιχνίδι", λέει ο Sporns.

Σε ένα βασικό πείραμα, ο Bassett μελέτησε τους ανθρώπους καθώς μάθαιναν να χτυπούν γρήγορα τα δάχτυλά τους με μια συγκεκριμένη σειρά διαβάζοντας ακολουθίες σημειώσεων σε ένα ραβδί. Οι σεκάνς δεν ήταν ακριβώς ραψωδίες του Μπραμς. το καθένα είχε μόλις 12 νότες. Αλλά οι συμμετέχοντες πήραν χρόνο για να τα κατακτήσουν. Κατά τη διάρκεια τριών προπονήσεων, ξάπλωσαν σε έναν σαρωτή fMRI και εξασκήθηκαν στην εργασία με τα δάχτυλά τους.

Η ομάδα του Bassett κατέγραψε αλλαγές με την πάροδο του χρόνου στα σύνολα των περιοχών του εγκεφάλου που κατά προτίμηση συνομιλούσαν μεταξύ τους ενώ οι συμμετέχοντες μάθαιναν. Οι ερευνητές δημιούργησαν ένα μαθηματικό μέτρο της συνολικής «ευελιξίας» - πόσο πιθανό ήταν οι περιοχές να αλλάξουν την «υποταγή της ενότητας» τους και να συγχρονιστούν με ένα διαφορετικό σύνολο εταίρων. Η ευελιξία του εγκεφάλου κατά τη διάρκεια μιας συνεδρίας εξάσκησης, όπως διαπίστωσαν οι ερευνητές, προέβλεψε πόσο πιο γρήγορα θα μπορούσε το άτομο να παίξει τις ακολουθίες σημειώσεων στην επόμενη συνεδρία.

Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε το 2011, άφησε να εννοηθεί ότι τα μετρήσιμα, προβλέψιμα χαρακτηριστικά της διαμόρφωσης του εγκεφάλου μπορούν να τον βοηθήσουν στη μάθηση. Αυτό "άρχισε να τραβάει την προσοχή πολλών ανθρώπων", λέει ο Bassett, συμπεριλαμβανομένων των εκπροσώπων του MacArthur Fellows Program, οι οποίοι επεσήμαναν τη δουλειά για την επιλογή του Bassett για το βραβείο του 2014. Η Μπάσετ, που μόλις έβγαζε το εργαστήριό της στο UPenn, βρέθηκε στο επίκεντρο των ακαδημαϊκών. Οι γονείς της, που είχαν χωρίσει όταν ήταν 18 ετών, την επευφημούσαν.

Υγιεινή φιλοδοξία

Η Μπάσετ είναι πλέον ένας κόμβος σε ένα ζωντανό δίκτυο—ένας ρόλος που δεν της ταιριάζει πάντα. Σε ένα ατελείωτο κύκλωμα προσκεκλημένων συνομιλιών, αναζητά τη μοναξιά στο δωμάτιο του ξενοδοχείου της. Αποφεύγει τις ομαδικές αλληλεπιδράσεις, προτιμώντας την κατ' ιδίαν επικοινωνία με εκπαιδευόμενους και συνεργάτες.

Αλλά μερικές από αυτές τις ζευγαρωμένες συνδέσεις είχαν εκτεταμένα αποτελέσματα. Το 2013, σε ένα παγκάκι με θέα στον Ειρηνικό Ωκεανό στη Σάντα Μπάρμπαρα, αυτή και ο μηχανολόγος μηχανικός Fabio Pasqualetti, τότε συνάδελφος μεταδιδάκτορας, συνειδητοποίησαν ότι μοιράζονταν μια φιλοδοξία. Αναρωτήθηκαν αν η επιστήμη των δικτύων θα μπορούσε να πάει πέρα ​​από την περιγραφή του εγκεφάλου και να προσφέρει τρόπους αλλαγής του. Ο Pasqualetti μελετά τη θεωρία ελέγχου, έναν κλάδο της μηχανικής που χρησιμοποιεί αισθητήρες και ανάδραση για να καθοδηγήσει τη συμπεριφορά ενός συστήματος, είτε πρόκειται για ηλεκτρικό δίκτυο είτε για μαχητικό αεροσκάφος. Ήταν δυνατόν, αναρωτήθηκαν ο ίδιος και ο Bassett, να εφαρμοστούν αρχές της θεωρίας ελέγχου στα δίκτυα του εγκεφάλου;

Στην αρχική τους μελέτη, που δημοσιεύθηκε το 2015, οι Bassett και Pasqualetti μοντελοποίησαν τη δομή του εγκεφάλου με δεδομένα από μια τεχνική βασισμένη σε μαγνητική τομογραφία που ανιχνεύει τη διάχυση του νερού μέσω του εγκεφάλου για να εντοπίσει περιοχές που συνδέονται με δέσμες νευρωνικών ινών. Τροφοδοτώντας αυτές τις πληροφορίες σε μια εξίσωση από τη θεωρία ελέγχου, εντόπισαν περιοχές του εγκεφάλου που, όταν είναι ενεργές, θα μπορούσαν να τον βοηθήσουν να μετατοπιστεί σε διάφορες άλλες καταστάσεις. "Ήταν ένα μεγάλο άλμα, ειλικρινά, να υποθέσω ότι αυτό το πράγμα θα μπορούσε να λειτουργήσει", λέει ο Pasqualetti, τώρα στο UC Riverside.

«Είναι μια πολύ σημαντική συνεισφορά», λέει για την εργασία ο υπολογιστικός νευροεπιστήμονας Marco Zorzi από το Πανεπιστήμιο της Πάντοβα στην Ιταλία. Οι επιστήμονες ήδη πειραματίζονται με το ζάπινγκ του εγκεφάλου για να βελτιώσουν διάφορες καταστάσεις, συμπεριλαμβανομένης της σοβαρής κατάθλιψης και της αναπηρίας μετά από εγκεφαλικό. Αλλά η προσέγγιση, η οποία συχνά βασίζεται στη μαγνητική διέγερση του τριχωτού της κεφαλής, περιλαμβάνει δοκιμή και λάθος. Η θεωρία ελέγχου θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να αποφασίσουν πού στον εγκέφαλο θα διεγείρουν και σε ποιες εντάσεις, ώστε να τον οδηγήσουν αξιόπιστα σε μια πιο υγιή κατάσταση.

Ωστόσο, ο Zorzi λέει, "Δεν είναι ακόμα έτοιμο". Για να αναπτύξουμε πρωτόκολλα διέγερσης με βάση τη θεωρία ελέγχου, «απλώς χρειαζόμαστε πολύ περισσότερη θεωρητική δουλειά», λέει. Αυτή η εργασία θα πρέπει να περιλαμβάνει τη μελέτη πόσων σημείων διέγερσης είναι απαραίτητα για να προκληθεί μια επιθυμητή εγκεφαλική κατάσταση, προσθέτει.

Η Bassett και η ομάδα της βελτιώνουν τώρα την προσέγγιση της θεωρίας ελέγχου και τη χρησιμοποιούν για να προβλέψουν τα μοτίβα εξάπλωσης της δραστηριότητας στις επιληπτικές κρίσεις. Τα αποτελέσματα, ελπίζουν, θα δείξουν πώς οι γιατροί θα μπορούσαν να τοποθετήσουν ηλεκτρικά εμφυτεύματα που πνίγουν τις κρίσεις με μεγαλύτερη ακρίβεια ή να κόψουν λιγότερους εγκεφαλικούς ιστούς κατά τη διάρκεια της επέμβασης.

Πριν από οποιεσδήποτε κλινικές δοκιμές, ο Bassett και οι συνεργάτες του θα πρέπει επίσης να υπερασπιστούν το έργο ενάντια σε μια γνωστή κατηγορία:ότι υπεραπλουστεύει τον εγκέφαλο. Τα σήματα δεν περνούν προβλέψιμα σε κάθε σύνδεση μεταξύ νευρώνων. Μερικοί ενισχύονται. Άλλοι αντιμετωπίζουν μηχανισμούς πύλης που τους αναστέλλουν και οι εξισώσεις από τη θεωρία ελέγχου δεν αποτυπώνουν πλήρως αυτές τις λεπτομέρειες. «Αυτό κάνει το πρόβλημα ελέγχου εξαιρετικά δύσκολο», λέει ο Schiff, πρώην χειρουργός επιληψίας που μελετά τη θεωρία ελέγχου. "Αυτό είναι ένα τεράστιο σύνορο που μόλις αρχίζουμε να σπάμε."

Σε απάντηση, ο Bassett διοχετεύει τον Πτολεμαίο. «Οι φυσικοί… ξεκινούν με σχετικά απλά μοντέλα και στη συνέχεια επεκτείνουν αυτά τα μοντέλα όσο είναι απαραίτητο», λέει. "Αν υπάρχουν περισσότερες από λίγες παράμετροι, είναι πολύ δύσκολο να καταλάβουμε γιατί συμβαίνει κάτι."

Βαθμοί ελευθερίας

Καθώς πηγαίνει από το μάθημα προς το σπίτι, ο 4χρονος γιος του Μπάσετ, ο Simeon, αφηγείται τα κατορθώματά του στον ημερήσιο φροντίδα από το πίσω κάθισμα του αυτοκινήτου και υπαγορεύει τη λίστα αναπαραγωγής.

Όταν η Μπάσετ μπήκε στο κολέγιο, ορκίστηκε ότι δεν θα γινόταν ποτέ σύζυγος ή μητέρα. Στην πανεπιστημιούπολη, διαπίστωσε ότι ο ρόλος της νοικοκυράς στον οποίο επέμενε η οικογένειά της ήταν, κατά καιρούς, αποθαρρυμένος. Όμως γνώρισε τον Lee Bassett, έναν συμφοιτητή της φυσικής, τον οποίο παντρεύτηκε το 2006. Και οι δύο τώρα διδάσκουν στο UPenn και το πρώτο από τα δύο παιδιά τους γεννήθηκε το 2011.

Εκείνο το βράδυ, μετά το διάβασμα πριν τον ύπνο (The Berenstain Bears για τον Συμεών και το παιδικό μυθιστόρημα φαντασίας Mossflower για τον Silas), η Bassett ανοίγει ένα κουτάκι ξινή μπύρα με γεύση κεράσι και βγάζει μια από τις αγαπημένες της:τον τόμο του 17ου αιώνα του Βρετανού φιλοσόφου Joseph Glanvill The Vanity of Dogmatizing . Σε αυτό, ο Glanvill θαυμάζει την άγνοια της ανθρωπότητας για τον φυσικό κόσμο και καταδικάζει την τυφλή πίστη τόσο στην επιστήμη όσο και στη θρησκεία. Ο Μπάσετ έχει πιπερώσει τα περιθώρια του με νότες.

Στο διάδρομο του σαλονιού κάθεται ένα πιάνο με ουρά της Steinway, μαρτυρία της διαρκούς αγάπης της για τη μουσική. Είναι η μόνη αγορά που έχει κάνει μέχρι στιγμής η Bassett με το βραβείο MacArthur των 625.000 δολαρίων. Προς το παρόν, το εργαστήριό της δεν βλάπτει για χρηματοδότηση. Αλλά τα αδιάθετα χρήματα σημαίνει ελευθερία. Αν μια ιδέα εξάψει τη φαντασία της και οι χρηματοδότες δεν την κάνουν πίσω, σκοπεύει να την κυνηγήσει ούτως ή άλλως.

*Διόρθωση, 11 Απριλίου, 11:55 π.μ.: Μετά από αίτημα της μητέρας του Bassett, αλλάξαμε το όνομά της σε Holly Perry.