Hoe een transparante vis de hersenen kan helpen decoderen

In op televisie uitgezonden opmerkingen van de East Room van het Witte Huis op 2 april 2013 onthulde president Obama een wetenschappelijke missie zo groot als het Apollo-programma. Het doel was niet de ruimte, maar een grens die net zo betoverend was: het menselijk brein. Obama daagde de 'meest fantasierijke en effectieve onderzoekers' van de natie uit om in realtime de flikkeringen van alle 100 miljard zenuwcellen in de hersenen van een levend persoon in kaart te brengen, een reis diep in de neurale kosmos die nooit op zo'n fijne schaal is geprobeerd. Een panoramisch beeld van elektrische pulsen die over de hersenen flitsen, kan leiden tot belangrijke nieuwe inzichten in hoe we denken, onthouden en leren, en hoe kwalen van autisme tot Alzheimer ons mentale circuit opnieuw bedraden. "We hebben een kans om het leven van niet alleen miljoenen te verbeteren, " zei de president, "maar miljarden mensen op deze planeet."

Van dit verhaal

De toekomst van de hersenen

Kopen

gerelateerde inhoud

• Schokgolven kunnen gevaarlijke bubbels in de hersenen veroorzaken
• Het koppelen van meerdere geesten kan helpen beschadigde hersenen te genezen

De volgende maand, zes mijl van het Witte Huis, greep een professor uit Harvard, Florian Engert, een microfoon en verklaarde Obama's inspanning in wezen zinloos voor de top neurowetenschappers van het land. "We hebben die gegevens nu, " zei Engert, die in een kamer vol met professorial blazers en vesten een spierhemd droeg dat ruim zicht op zijn uitpuilende biceps bood. "We ontdekten dat ze eigenlijk niet zo nuttig zijn." ("Ik denk dat beeldvorming van het hele brein een stelletje bull is ----, " is hoe hij het me later voorlegde.) Aan de andere onderzoekers moet hij klonk als een verrader.

Engert, die 48 is, was in feite de eerste persoon op de planeet die een brein observeerde op de manier van muur tot muur die Obama voor ogen had. Hij en zijn collega's hadden het gedaan met een sci-fi-waardig experiment dat elke zweem hersenactiviteit registreerde in een transparante baby zebravis, een mijlpaal dat slechts een jaar eerder werd gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature . Dat Engert suggereerde dat de hersenspeurtocht van de president een stapel was, leek een beetje op John Glenn die uit de baan terugkeerde en JFK vertelde zich niet te bemoeien met een maanlanding.

"Hij zou een pleitbezorger moeten zijn", zegt Miyoung Chun, een moleculair geneticus en uitvoerend lid van de Kavli Foundation, een vooraanstaand onderzoeker van neurowetenschappelijk onderzoek. "Veel andere neurowetenschappers vieren wat hij heeft kunnen bereiken, maar hij sluit het zelf."

Maar Engert probeerde een punt te maken: het opnemen van hele hersenen is volgens hem niet noodzakelijk de beste weg naar nieuwe ontdekkingen over de drie pond vlees tussen onze oren. “Je kunt patronen, reeksen, clusters, correlaties en blipsgebieden vinden. En wat dan? 'Zei hij. Het zijn veel gegevens zonder veel begrip.

Het Witte Huis - en veel wetenschappers - hoopten te veel, dacht Engert, op een te enge idee van hoe de hersenen te begrijpen. In zijn kritiek staan ​​niet alleen vragen over methoden op het spel, maar ook over de doelen van neurowetenschappen. Hoeveel moeten we in ons leven verwachten te begrijpen over verschijnselen zoals geheugen, slaap en bewustzijn? Wat moet de hoogste roeping van het veld zijn? Moeten het geneeswijzen tegen ziekten zijn, of zijn andere onderzoekslijnen even waardig?

Engert geniet van controverse, vooral als hij in het middelpunt staat. Het is een gevaarlijk spel voor een academicus, maar zijn wetenschap redt hem. Afgelopen september heeft de Obama-regering hem een ​​van de grootste beurzen van de nieuwe hersenmissie toegekend, waardoor hij een leider is van de inspanning die hij niet kan stoppen met dissen.

**********

Duizenden, zo niet miljoenen hersencellen moeten met elkaar praten voor een persoon om zelfs de meest basale taak uit te voeren, zoals het optillen van een glas water. De cellen wisselen berichten uit in de vorm van elektrische pulsen, die met milliseconden snelheden racen langs netwerken van vezels verspreid over elke regio van de hersenen. Op bijna elk moment, dat wil zeggen, zit Beijing in de hersenen aan de lijn met Helsinki, met La Paz en Kampala tijdens de conferentie. Van deze circuits van activiteit wordt gedacht dat ze ten grondslag liggen aan enkele van de grootste mysteries van de hersenen: hoe we herinneringen opslaan en herinneren; hoe we emotie voelen; hoe neuronen gegevens van onze zintuigen coderen en hoe ze die gegevens gebruiken om gedrag te orkestreren; hoe die circuits veranderen bij mensen met psychiatrische en neurologische aandoeningen.

Tot voor kort konden wetenschappers van slechts een paar honderd neuronen tegelijk opnemen, zelfs bij proefdieren. Ze deden het door elektroden in elk van die cellen te laten zinken. Maar hoe meer cellen je in één keer probeert te traceren, hoe groter je risico op het doden van het dier of het kortsluiten van je elektronica. Natuurlijk, functionele MRI-machines vormen een beeld van de hele hersenen, maar ze volgen zuurstofniveaus in het bloed, geen elektrische activiteit, en de resolutie is veel te grof voor de studie van circuits op cellulair niveau. Dat is de reden waarom Engert's 2012 Nature- papier op de baby-zebravis ter grootte van de wimpers landde met een plons. Zijn team had een manier gevonden om het hele brein van een dier te registreren met de beweging van een fMRI en de cel-voor-cel precisie van elektroden.

Zebravissen zijn zoetwaterminnows afkomstig uit beekjes die door rijstvelden langs de Ganges slingeren, in India en Bangladesh. In het Westen zijn de blauw en goud gestreepte vissen beter bekend als uw basisstartaquariumsoorten. In de jaren zeventig zagen wetenschappers in deze onopvallende wezens de ingrediënten van het volgende grote proefdier. Zebravissen broeden snel, kosten weinig en hebben genen die gemakkelijk te manipuleren zijn. En de eerste paar dagen van hun leven zijn zebravissen, hersenen tot staart, doorzichtig. Wetenschappers realiseerden zich later dat ze alleen maar moesten kijken naar de gedachten van babyzebravissen.

Na jaren van vallen en opstaan ​​hebben Engert en zijn laboratoriumleden een wild experiment uitgevoerd. Engert heeft de codenaam 'Fish in The Matrix' genoemd, naar de sci-fi filmtrilogie over mensen die denken dat ze een gewoon leven leiden, maar in feite verzegeld zijn in pods, hun hersenen verbonden met een virtual reality-machine. Het experiment was gericht op een fundamentele vraag: wat gebeurt er in de hersenen van baby-zebravissen terwijl ze leren?

In het begin was het niet duidelijk dat iemand een baby zebravis iets kon leren. Engert en zijn collega's probeerden jarenlang blijvende gedragsveranderingen teweeg te brengen door de vis milde schokken te geven of hen te belonen met alcohol of cocaïne, allemaal zonder resultaat. Maar instinctief zwemmen zebravissen tegen een stroming in, een reflex die ervoor zorgt dat ze niet worden gewassen in een rijstveld of, erger nog, op zee. Wat als wetenschappers de vis konden laten denken dat deze hard-wired reflex niet goed werkte? Zou de vis leren zich aan te passen?

De onderzoekers verkregen een lijn van genetisch gemanipuleerde zebravissen waarvan de neuronen groen knipperen wanneer ze schieten; de cellen produceren een fluorescerende kleurstof die helderder gloeit in aanwezigheid van calciumionen, die binnenstromen wanneer de cel vuurt. De vis moest bewegingloos zijn, dus de groene flitsen zouden niet wazig worden onder een microscoop en toch de illusie van vrijheid hebben.

Engert en twee van zijn postdocs, Misha Ahrens en Ruben Portugues, hebben de vis verlamd met een slangengiftoxine en gesuspendeerd in water in een heldere petrischaal. Om de visuele ervaring van het zwemmen in een beek na te bootsen, plaatsten ze een projectiescherm onder de petrischaal en gaven ze een reeks bewegende balken weer. Van elektroden die waren gepatcht tot zenuwen in de staart van de vis, de onderzoekers voelden aan wat de hersenen de staart vertelden te doen, hoewel de staart zelf niet echt kon bewegen. Een computer vertraagde de tralies toen de vis met zijn staart flitste - of dacht dat hij flickte - zodat hij een visuele indicatie kreeg dat hij met succes zijn plaats in het bewegende water vasthield.

Toen kwam het hersenspoeling. Toen de vis 'zwom', vertraagden de onderzoekers de staven te veel of keerden ze hun koers om, met als doel het dier te laten denken dat zijn staart supersterk was geworden. Of ze maakten de repen te langzaam, waardoor de vis dacht dat zijn staart abnormaal zwak was. In beide gevallen compenseerde de vis, ofwel zijn staartbewegingen verkleinen of vergroten: alles wat nodig was om in de virtuele stroom te blijven. Niet alleen hebben zebravissen nadat zebravissen hun staartbewegingen opnieuw hebben gekalibreerd, later onthouden ze dat ook te doen: ze leerden het. Toen de wetenschappers de vis een pauze van tien seconden gaven en vervolgens de snelheid van de repen terugbrachten naar zijn realistische instelling, zwaaiden de vissen aanvankelijk hun staart alsof ze nog steeds te sterk of te zwak waren.

(Infographics van Samuel Velasco / 5W) (Infographics van Samuel Velasco / 5W) Het zebravisbrein tijdens het zwemmen (Florian Engert) Het zebravisbrein alleen tijdens visuele stimulatie (Florian Engert) Zebravissen zijn populair bij ontwikkelingsbiologen sinds de jaren zeventig. De vissen leggen 100 tot 200 eieren per week, die een vijftigste van de hier uitgegroeide larven worden. (Adam Parslow / Heath Laboratory, Walter and Eliza Hall Institute of Medical Research)

Video's van de 100.000 neuronen van de vis, gefilmd door een krachtige microscoop, tonen velden van schitterend groen, twinkelend in gebieden die verband houden met visie, beweging en leren. Van bijzonder belang was een set hersencellen die geen duidelijke band hadden met visie of beweging, en die alleen flitste toen de vissen beseften dat hun staarten zwakker of sterker waren dan verwacht. Engert theoretiseerde dat deze cellen een rol speelden bij 'verrassing' of 'foutdetectie'.

Het papier van het team zorgde voor een aantal doorbraken, maar het was het technische wonder van hersenbrede opnames dat de meeste aandacht trok. Nooit eerder hadden wetenschappers activiteit verbeeld in alle neuronen van een levend dier. "De technologie was er om dat experiment te doen, maar niemand had het, " vertelde Joseph Fetcho, een Cornell-professor die veel van de baanbrekende vooruitgang maakte in de neurowetenschappen van zebravissen. 'Alleen Florian was nootachtig genoeg. Het is een soort van zijn hele 'ga groot of ga naar huis'-benadering van het leven.'

**********

Toen ik verscheen in het lab van Engert op de tweede verdieping van het BioLabs-gebouw van Harvard, begroette hij me en zei: "Ik ga je iets heel vreemds laten zien." Hij leidde me het gebouw uit en een asfaltpad opzij af. deur van de Harvard Divinity School. Een gelamineerde kaart op het kozijn zei: "Niet roken binnen 25 voet van de ingang van het gebouw." Maar op de deur zelf stond nog een bord: "Geen ingang".

Hij keek naar mijn gezicht om ervoor te zorgen dat ik registreerde hoe het tweede teken redelijkerwijs kon worden gelezen om het eerste te ontkennen. Toen barstte hij in een mopperende, hoge lach. Toen ik vroeg of ik een foto kon maken, gaf hij gretig toestemming en zorgde ervoor dat beide tekens nog zichtbaar waren. Toen stak hij een sigaret van de Amerikaanse geest op, blies rook naar de dakrand van Divinity Hall en flitste de camera met zijn beste stoute glimlach.

Engert speelde voor mij, in miniatuur, een van zijn favoriete publieke persona's: de hark in een komedie van manieren, de charmeur wiens slechte gedrag zo eindelijk onschadelijk is dat alleen zijn beschuldigers er uiteindelijk dwaas uitzien. De verhalen die hij graag over zichzelf vertelt, houden allemaal verband met smalle ontsnappingen van de ene of de andere soort van fussbudget of preutse. Harvard, met zijn gewijde reputatie, grote ego's en tweedy mode-imperatieven, biedt hem een ​​bijzonder effectieve folie. Toen collega's klaagden over zijn schaatsen door het BioLabs-gebouw, plaatsten onderhoudspersoneel borden "No Rollerblading". Ze kwamen neer nadat hij vaste aanstelling had gekregen.

Ik zag op een middag een lederen zweep met het handvat van Engert op een middag, en toen ik vroeg wat het daar deed, greep hij het, sprong overeind en liet een oorverdovende scheur los die een paar geschrokken studenten uit hun stoelen lanceerde. "Zie je hoe ze reageren, hoe ze plotseling sneller werken?" Grapte hij. In werkelijkheid heeft iemand het ironisch aan hem gegeven. Engert staat bekend om de zeer lange riem die hij lableden geeft. De meest inventieve wetenschap, vindt hij, komt in een omgeving waarin briljante onafhankelijke denkers de vrije loop hebben om hun meest fantasievolle ideeën te achtervolgen, zelfs als ze falen.

Adam Kampff, een niet-gegradueerde astrofysica-majoor, overwoog een overstap naar neurowetenschappen voor een doctoraat in 2002 toen Engert hem een ​​Harvard-creditcard gaf en hem vertelde het laboratorium een ​​twee-fotonenmicroscoop te bouwen, een constructie van lasers en spiegels waarvan de assemblage een magnum van technische behendigheid. De microscopen, die twee pulsen van infrarood licht op een enkel punt afvuren, worden gewaardeerd voor de schone beelden die ze maken van fluorescent geverfde cellen, zoals die groen flitsen in genetisch gemodificeerde zebravissen.

Engert vertrok vervolgens naar Berkeley, waar hij net een postdoctorale beurs had beëindigd, zodat hij zijn Honda Shadow cruiser-motorfiets in het hele land terug naar Cambridge kon rijden.

"Terwijl hij weg was, denk ik dat ik ongeveer $ 300.000 heb uitgegeven, " vertelde Kampff me. "Terugkijkend, ga je maar, 'Wacht, dat is gek', " zei Kampff, die voor een doctoraat en postdoc bij Engert verbleef en nu een laboratoriumdirecteur is bij het Sainsbury Wellcome Centre, een onderzoeksinstituut voor neurowetenschappen aan het University College London. "Maar het was het beste dat me ooit is overkomen."

Voor de openbare lezing in 2009 die Engert hield als onderdeel van zijn vaste aanstelling, adviseerde een collega hem het spierhemd over te slaan en zich aan te kleden. Engert deed - in lederhosen. Toen hij in lederen korte broek en kniekousen het podium betrad, verzekerde hij de volle collegezaal dat hij, in tegenstelling tot wat hij had gezien, het advies van zijn collega ter harte had genomen. "Dit is de formele kleding van de Beierse stammen, " zei Engert, terwijl de kamer overstroomde van het lachen, "en het is een teken van het hoogste respect voor elk publiek."

**********

Florian was ooit een rustige, stripverslindende huisvrouw, zegt zijn zus Katharina. De twee groeiden op in de wijk Schwabing in München, een Boheemse enclave geanimeerd door studenten van nabijgelegen universiteiten. Hun vader was een bakker die een plaatselijke ijsketen oprichtte, en hun moeder verkocht de kapsalon van haar familie om de kinderen groot te brengen. Voor een betovering leefden ze allemaal boven het vlaggenschip Engert Ice. Kinderen kwamen altijd rond, maar "je wist nooit of ze je vrienden waren vanwege het ijs of omdat ze je leuk vonden", zegt Katharina, nu arts in de eerstelijnszorg in München.

Toen Engert op de middelbare school zat, stuurde hun vader, bezorgd over zijn Engelse cijfers, hem naar Londen voor een jaar taalstudie. Engert kwam extravert en zelfverzekerd thuis. Hij bevond zich al snel in een menigte van zelfbenoemde koude oorlogsnihilisten die geloofden in het leven voor een moment omdat een nucleaire catastrofe de mensheid teniet kon doen voordat een van hen 30 bereikte.

Grote vragen over de oorsprong van het universum wonden Engert op en fysica leek antwoorden te hebben. In zijn laatste jaar aan de Ludwig Maximilians Universiteit in München, echter, begonnen de twee pijlers van het veld - elementaire deeltjes en astrofysica - te voelen "te los van het dagelijkse leven", vertelde hij me. De buurman van zijn familie was een hersenonderzoeker en hij vertelde Engert dat neurowetenschappen fysici nodig hadden, dat de toekomst van het veld afhing van de uitvinding van nieuwe hulpmiddelen om in de hersenen te turen.

Als afgestudeerde student en postdoctoraal onderzoeker aan het Max Planck Instituut voor neurobiologie buiten München en aan de Universiteit van Californië, bouwde Engert uitrusting voor belangrijke ontdekkingen in hoe neuronen in ratten en kikkervisjes veranderen in reactie op visuele en elektrische stimulatie - veranderingen die cruciaal zijn voor leren en geheugen. Hij besteedde twee jaar aan het ontwerpen van een aangepaste twee-fotonenmicroscoop waarvan de laser, indien verkeerd behandeld, netvlies kon zappen. In een typisch gebaar plakte Engert de veiligheidsbril van het laboratorium tegen de muur en plaatste er een bord boven dat zei: "Alleen voor Wimps."

Zijn gave voor jongleren met zaken en plezier heeft zijn aandeel aan intramurale commentaren aangewakkerd. In 2002 schreef Mu-ming Poo, in wiens laboratorium Engert werkte als een postdoc, een brief waarin hij lableden ophaalde voor luiheid. "Er kunnen een paar zeldzame gelukkige kerels zoals Florian zijn, die ... een tijdje van het leven kunnen genieten en toch een baan aangeboden krijgen van Harvard, " schreef Poo. "Niemand anders in het lab heeft de luxe van Florian om te spelen."

**********

Het Witte Huis lanceerde zijn neurowetenschappelijke missie, bekend als het BRAIN Initiative (voor Brain Research via Advancing Innovative Neurotechnologies), met een verzoek van $ 100 miljoen aan het Congres. De National Institutes of Health hebben afgelopen najaar $ 46 miljoen toegekend aan BRAIN-subsidies, en agentschappen zo ongelijk als de National Science Foundation, het Defense Advanced Research Projects Agency en de Food and Drug Administration ondersteunen onderzoek dat aansluit bij de doelstellingen van het initiatief. In de privésector hebben bedrijven als Google, GE en GlaxoSmithKline meer dan $ 30 miljoen besteed aan de missie.

Wetenschappers die betrokken zijn bij de inspanning, stellen zich een trapladderbenadering voor, die werkt van rondwormen (300 neuronen), baby zebravissen en fruitvliegen (100.000 elk) tot muizen (75 miljoen) en apen (6 miljard voor de makaak) voordat ze de Himalaya van de mensheid toppen hersenen (bijna 100 miljard). In zekere zin verloopt het initiatief nu op al die fronten tegelijkertijd. Wetenschappers bestuderen delen van het menselijk brein en kiezen voor een meer holistische benadering bij proefdieren. En ze experimenteren met een scala aan hulpmiddelen - lasers, ultradunne sondes, chemische tags, high-tech echografie, door licht geactiveerde moleculen, volgende generatie fMRI's en PET-scanners - in de hoop op hoge resolutie op te nemen vanuit diep in niet-transparante hersenen.

Chun, die hielp het Witte Huis te overtuigen om het BRAIN-initiatief te lanceren, heeft het zebraviswerk vergeleken met een expreslift. "We waren nog steeds op de eerste verdieping en probeerden de tweede verdieping te bereiken", zegt ze. "Toen gingen we uit het niets naar de tiende verdieping."

Het was niet tot Engert's krant - en nog een, het volgende jaar, van Misha Ahrens, die zebravissen gedachten lezen dramatisch sneller maakte - dat "we dachten, OK, dit initiatief zou mogelijk kunnen zijn, " zei Chun. "De sprong van het geloof die ze maakten was enorm."

Ongeveer 80 procent van de genen die verband houden met menselijke ziekten hebben een tegenhanger in de zebravis. (Dr. Dominik Paquet / The Rockefeller University) In de nieuwste ontwikkeling van de hersenkartering markeren onderzoekers van het Howard Hughes Medical Institute permanent vurende neuronen (magenta) in een vrij zwemmende zebravis. (Eric Schreiter, HHMI / Janelia Research Campus) Deze weergave van het zebravisbrein, van een team van University College London, toont regio's waar neuronen elkaar ontmoeten (magenta) en bundels axonen (groen). (Tom Hawkins & Kate Turner bij het Wilson Laboratory op UCL als onderdeel van Zebrafishbrain.org)

Ze verwacht dat de uitbetalingen voor de menselijke gezondheid, voor aandoeningen zoals epilepsie, binnen slechts vijf jaar kunnen komen. Behandelingen voor minder begrepen aandoeningen - van Parkinson en Alzheimer tot autisme, schizofrenie en posttraumatische stressstoornis - liggen verder weg, maar nauwelijks buiten bereik. Door de hersenen van gezonde mensen, cel voor cel, te vergelijken met die met neurale aandoeningen, kunnen wetenschappers misschien de circuits isoleren waarvan de afbraak de ziekte voorafgaat. Die ontdekkingen kunnen de ontwikkeling van nieuwe medicijnen en therapieën stimuleren. Zebravissen, die gewervelde dieren zijn en dus hersenen hebben die vergelijkbaar zijn met die van ons, lopen al voorop. Ze worden gebruikt om medicijnen te testen en om de neurobiologie van angst, slaap en alcoholmisbruik te bestuderen.

Engert laat dergelijke bezigheden echter graag over aan andere wetenschappers. Hij zegt dat hij nooit activiteit in elke cel van een brein wilde uitbeelden. Het was slechts een aanvulling op het "Matrix" -experiment - een leeuwerik om een ​​debat te zwijgen over de vraag of een dergelijke opname zelfs mogelijk was. Hij wordt gedreven door vragen zonder duidelijke toepassingen: hoe reageert een zebravis op bepaalde soorten stimuli? Welke neurale circuits schieten af ​​wanneer vissen roofdieren zwemmen, jagen of ontvluchten? Welke experimenten bieden de beste kijk op het leren van zebravissen?

Hij wil dat het publiek en politici neurowetenschappen waarderen om dezelfde redenen als de Hubble Space Telescope, de Large Hadron Collider of de Mars-rover. Geen van deze raakt dagelijks het dagelijks leven, maar ze worden gefinancierd omdat er schoonheid zit in het ontrafelen van de mysteries van het universum. Hij gelooft dat de zoektocht zal worden teruggezet als het BRAIN-initiatief wordt oververkocht. "Het probleem, " zegt hij, "is dat als we de ziekte van Alzheimer en Parkinson niet oplossen, het lijkt alsof we onze vastgestelde taken niet hebben uitgevoerd en mensen het geld wegnemen en zeggen: 'Goed geprobeerd, geen sigaar.'"

Wat betreft de filosofische vragen die dit werk oproept - of het bestuderen van de hersenen ons iets zal leren over de aard van het menselijk bewustzijn, of het idee van een ziel; of de wetenschap op een dag de dingen van onze mensheid zal reduceren tot een koude calculus van algoritmische code - hij is agnostisch.

We ontmoetten elkaar op een avond in het helderpaarse huis waar hij woont met Polina Kehayova, een onderzoeker op het gebied van geneesmiddelen die oplicht als een sopraan van Boston Symphony en hun 6-jarige dochter. Over linzenstoofpot herinnerde Engert zich iets dat de MIT-taalkundige Noam Chomsky ooit zei: "Als we niet kunnen uitleggen waarom een ​​kakkerlak besluit links te slaan, hoe kunnen we dan uitleggen waarom een ​​mens besluit iets te doen?"

"Zelfs het laagste insect is een spectaculair goed aangepast instrument dat gecompliceerder en interessanter is dan elke computer, " vertelde hij me. "Ik bedoel, zou je niet willen weten hoe zijn hersenen werken?"

Na een paar dagen met Engert heb ik wat vooruitgang geboekt in de werking van zijn hersenen. Zijn doelen, zo blijkt, zijn niet zo onhandig geschikt voor het BRAIN-initiatief als hij soms doet alsof, zelfs als zijn motivaties verschillend zijn. Live-beelden van elk knipperend neuron van een brein zou een enorme kracht kunnen bevatten, zegt hij, als wetenschappers ook de draden zouden zien: de dunne vezels waarlangs neuronen signalen verzenden. Dan zou je weten of specifieke neuronen met elkaar praatten - en misschien ook wat ze zeiden.

Op een middag bracht een van de studenten van Engert, Mariela Petkova, me op een campus over een binnenplaats naar het lab van Jeff Lichtman, een professor in de moleculaire en cellulaire biologie. In een kamer zonder ramen was een heel zebravisbrein met hars verstijfd en met een diamantmes in 30.000 superdunne plakjes gesneden. Scannende elektronenmicroscopen beelden elk van de plakjes af en acht studenten en verschillende vrijwilligers - inclusief Petkova, via internet uit Bulgarije - volgen de neurale 'draden' met de hand van plak tot plak. Een andere professor, Constance Cepko, zal extra traceren door te kijken hoe fluorescerende virussen zich door de hersenen verspreiden. Zodra het bedradingsschema is voltooid, legt Engert zijn kaart met flitsende neuronen erop. Haim Sompolinsky, een theoreticus, zal vervolgens de stromen van neuraal verkeer over de draden analyseren, op zoek naar principes die deze verkeerspatronen koppelen aan specifiek visgedrag.

Wanneer het werk van Engert klaar is, waarvan hij zegt dat het 20 jaar kan duren, zal hij niets meer - of minder - glorieus hebben dan een "virtuele vis": software die de volledige werking van het brein van een zebravis nabootst. Wetenschappers zouden elke mix van sensorische input kunnen kiezen - watertemperatuur, een lichtpatroon, het pad van nabijgelegen prooi of roofdier - en de algoritmen van de software zouden niet alleen laten zien hoe een echte vis zou reageren, maar wat er in zijn hersenen gebeurde, milliseconde door milliseconde en cel voor cel, voordat het dat deed.

Hij zal in wezen hebben ontdekt waarom de zebravis naar links draait.

**********

Vrijdagochtend brengt de enige structuur in het lab van Engert: de wekelijkse all-hands meeting, waar 20 grad studenten en postdocs elkaar inlichten over hun onderzoek. Op de vrijdag half december toen ik in de buurt was, ritste Engert op schaatsen, droeg een T-shirt met een afbeelding van Snoopy die een biceps buigde en de woorden "Welcome to the Gun Show."

De professor ging aan het hoofd van de tafel zitten en stuiterde op en neer op de pneumatische stoel, als een kind dat ronddoolt aan het bureau van een ouder. "Wauw, " zei hij. "Ik heb het gevoel dat ik de leiding heb."

Maar net zo snel gleed hij van de stoel en in een hoek van de kamer, waar hij een rol op zich nam die minder vaak in het openbaar wordt gezien: die van de stille en geduldige cheerleader voor zijn onderzoekers, off-trail ontdekkingsreizigers die hij uitrust met uitrusting en dan verzendingen - bel wanneer u kunt! - naar de sterrenvelden van de geest.

De jonge mannen en vrouwen klikken om de beurt door dia's van hun nieuwste zebraviswerk: hier zijn de neuronen die flitsen wanneer de vis een lichte schok krijgt. Hier geven de visuele signalen hun hersenen aan om beweging te schatten. Hier, een high-speed camera op een omgekeerde freesmachine, een nieuw hulpmiddel waarmee lableden binnenkort hersenactiviteit kunnen volgen in vrijzwemmende vissen.

Engert stelde een paar zachte vragen, maar meestal was er aanmoediging: “Geweldig!” “Heel mooi - het beest in actie!” “Kijk daarnaar! Perceptie, cognitie en bewustzijn hier. De ziel van de vis! '

Een afgestudeerde student wees erop dat de inline skates op elk van Engert's voeten verschillende kleuren en merken hadden. Engert trok de schaatsen van zich af om sokken te onthullen - grijs aan de ene voet, zwart aan de andere. Toen trok hij zijn sokken uit. Op zijn linkervoet was de grote teennagel rood geverfd en de anderen paars. Op zijn rechtervoet was de grote teennagel paars en de anderen rood. Toen zijn dochter haar moeders tenen had uitgeput in een recent nagellak-experiment, had haar vader de zijne aangeboden.