Den 29. maj 2024 var en helt særlig dag for Haim Sompolinsky, professor ved Harvard University i USA og Hebrew University i Israel. Den dag fik han overrakt verdens største hjerneforskningspris, Lundbeckfondens »The Brain Prize 2024« i København. Dagen var speciel naturligvis på grund af den ærefulde pris, og fordi den blev overrakt af Kong Frederik, men også fordi prisoverrækkelsen betød et gensyn med København.
Her blev Haim Sompolinsky nemlig født for 74 år siden. Og her var hans far David Sompolinsky i oktober 1943 som ung dyrlægestuderende blandt de modstandsfolk, som organiserede redningen af flere hundrede danske jøder fra nazisterne, inden han selv måtte flygte. Efter krigen stiftede David Sompolinsky familie og arbejdede på Statens Serum Institut i København. Familien emigrerede til Israel i 1951, da Haim Sompolinsky var to år.
I anledning af prisoverrækkelsen skrev Haim Sompolinsky et videnskabeligt essay til Danish Medical Journal, som er gengivet i Ugeskrift for Læger nr. 11/2024: »Deciphering the mysteries of the neural code«, dedikeret til hans far.
»For mig er det meget følelsesladet ikke alene at modtage prisen i Danmark – men også på baggrund af min og min families historie – at jeg publicerer og giver et interview til det danske medicinske tidsskrift«, siger Haim Sompolinsky.
Han har fået prisen sammen med to andre forskere fra amerikanske universiteter: professor Larry Abbott fra Columbia University og professor Terrence Sejnowski fra Salk Institute. Med prisen følger 1,3 mio. euro til deling mellem de tre.
Af begrundelsen for prisen fremgår det, at forskerne »har været banebrydende inden for computational og teoretisk neurovidenskab og ydet afgørende bidrag til vores forståelse af hjernen. De har også været med til at bane vejen for udviklingen af hjerneinspireret kunstig intelligens«.
Med andre ord har de udviklet teorier og computermodeller, som afdækker de neurale kredsløbs mekanismer, når de genererer kognition og adfærd. Og deres arbejde har inspireret til udvikling af kunstige neurale netværk.
I Haim Sompolinskys barndomshjem i Israel tronede farens mikroskop på et skrivebord midt i stuen. Faren, der havde taget en ph.d.-grad i mikrobiologi og var med til at opbygge feltet i Israel, var professor i mikrobiologi ved Bar-Ilan University og direktør for et klinisk mikrobiologisk laboratorium. Han forskede blandt andet i zoonoser, sygdomme, som smitter fra dyr til mennesker.
»Her kunne han sidde i timevis og kigge i sit mikroskop og tage noter«, husker Haim Sompolinsky.
Lejlighedsvis fik Haim Sompolinsky lov til at kigge gennem prismet for at få indblik i farens forunderlige verden af mikrober. Haim Sompolinsky nød også at læse i bøgerne i farens store bibliotek, som rummede en blanding af jødiske skrifter og videnskabelige bøger om fysik, matematik og mikrobiologi. Faren havde også et laboratorium derhjemme, komplet med glaskolber, gasblus og bure med marsvin som forsøgsdyr. Haim Sompolinsky og hans søskende havde til opgave at passe dyrene.
At Haim Sompolinsky valgte forskervejen var derfor ikke helt tilfældigt.
»Jeg var meget inspireret af min far. Han var nysgerrig og dedikeret til sin forskning. En rigtig videnskabsmand«.
Faren holdt livet igennem kontakt til familie og venner i København og samarbejdede med danske forskere. Haim Sompolinsky har stadig hans eksamenspapirer fra veterinærskolen og hans videnskabelige artikler.
Som ung overvejede Haim Sompolinsky at studere medicin, men han valgte fysik, for hans hjerne snoede sig med lethed omkring matematiske formler og fysikkens love, og han var interesseret i grundlæggende principper.
Særligt var han interesseret i »statistisk mekanik«, hvor formålet er at forklare, hvordan nye former opstår som for eksempel skyformationer på himlen og strømhvirvler i vandet, uden ydre styring, men under påvirkning af mikroskopiske interaktioner og statistiske regelmæssigheder.
Senere specialiserede han sig i »uordnede systemers fysik«, og hans forskning forklarede, hvordan strukturel uorden i materialer resulterer i særlige egenskaber.
For Haim Sompolinsky lå det lige for at benytte den teoretisk fysiske tilgang til at studere den »rodekasse«, som hjernen umiddelbart kan synes at være.
»Levende væv og hjernen i særdeleshed har jo også uordnede strukturer. Så jeg kunne bruge vores statistiske mekaniske modeller til at udvikle teorier om informationsbearbejdning i neurale kredsløb«, forklarer Haim Sompolinsky.
Neurale kredsløb er grupper af forbundne neuroner, som har en fælles afgrænset opgave med at bearbejde informationer. Kredsløbene indgår i større neurale netværk på tværs af hjerneområderne og understøtter kognitive funktioner på højere niveau.
Haim Sompolinsky har blandt andet været med til at modellere grundlæggende mekanismer, som opretholder en indre balance i de neurale kredsløb gennem feedback. Balancen opretholdes ved, at en overaktivering af aktiviteten i nogle neuroner i kredsløbet straks modvirkes af en øget hæmning af andre neuroner i kredsløbet, og omvendt. De balancemekanismer gør, at hjernen på én gang er fleksibel og robust.
Samspillet mellem aktivering og hæmning fører også til en anden form for balance i neurale kredsløb ifølge Haim Sompolinksys forskning. Nemlig balancen mellem hjernens indre dynamik, som repræsenterer hjernens hypotese om verden, og de eksterne sensoriske input, som fortæller hjernen om den faktiske tilstand af verden i et givent øjeblik.
Dermed har han også åbnet for en udforskning af, hvad der sker, når balancen bliver forstyrret, som det ses ved nogle psykiske lidelser og neurologiske sygdomme.
»Hvis vi ser på skizofreni, genererer de neurale kredsløb deres egne hypoteser om en imaginær verden gennem deres indre dynamik, og det syn på verden korrigeres ikke tilstrækkeligt af signaler fra den virkelige verden«, forklarer Haim Sompolinsky.
»Levende væv og hjernen i særdeleshed har jo også uordnede strukturer. Så jeg kunne bruge vores statistiske mekaniske modeller til at udvikle teorier om informationsbearbejdning i neurale kredsløb«Haim Sompolinsky
»Omvendt end i andre sygdomme kan hjernen måske have for meget opmærksomhed på signaler fra den ydre verden og får dem ikke tilstrækkeligt balanceret mod tidligere erfaringer om verden, som er indlejret i det neurale kredsløb.
Det kan betyde en overfølsomhed for stimuli udefra, hvor hver lyd opleves som støj, og hver berøring er en irritation, fordi kredsløbets indre dynamik, som ellers skaber balance mellem eksterne signaler og tidligere erfaringer, er forstyrret.
Det er et eksempel på, hvordan modeller af neurale kredsløb og deres indre dynamik i hjernen kan komplementere den biologiske, molekylære og cellulære forståelse. Så både i grundforskning og i klinikken er det vigtigt at have en komplementær tilgang, så vi ikke alene retter behandling mod det molekylære niveau, men også udvikler behandling rettet mod systemniveauet«.
Dengang for omkring 40 år siden, da Haim Sompolinsky startede sin forskerkarriere, var han del af en lille gruppe fysikere, som havde en fælles interesse i hjerneforskning. Og det var usædvanligt, at han som fysiker bevægede sig ind i det medicinske felt.
»Det var kontroversielt. Jeg var for eksempel ansat til at undervise og forske i fysik. Hvis jeg eller andre ansatte fysikere ville arbejde med hjernevidenskab, var det vores egen sag, og det måtte foregå i fritiden, fik vi at vide«.
Modstanden kom også fra andre faggrupper.
»Læger og biologer forstod ikke, hvad fysik havde med biologi at gøre. For dem var det at studere hjernen ligesom at studere alle andre organer: nyrer, lunger eller hjerte. Og de kunne bestemt ikke lide, at der kom en flok fysikere og ville forklare, hvordan hjernen fungerer«.
Han indrømmer, at gruppen af unge fysikere måske også var lige friske nok i deres syn på hjernen.
»Vi var ekstremt naive, da vi startede, og det tog lang tid, før vi fandt ud af at være mindre arrogante og forstod, at hjernen er langt mere kompleks, end vi troede«.
Trods modstanden holdt gruppen fast, og her er en lang historie kort: De etablerede et virtuelt, interdisciplinært forskningscenter: Hebrew University's acclaimed Interdisciplinary Center for Neural Computation.
»Det var det ene af de to første centre i verden, hvor agendaen var at studere og forske i hjernen fra flere akademiske vinkler. Det andet var Caltech i USA. Vi etablerede et ph.d.-program og vores eget curriculum. Alle studerende skulle lære om neurobiologi, kognitive videnskaber, computervidenskab og fysik for at forstå nervesystemets dynamikker, og hvordan de er forbundet med de forskellige funktioner. Og den dag i dag er det ph.d.-program helt unikt«.
I dag er centret erstattet af Edmond and Lily Safra Center for Brain Science, som fastholder den multidisciplinære tilgang til forskning og uddannelse.
Det ligger Haim Sompolinsky meget på sinde at være med til at fostre nye generationer af forskere.
»At være forsker er en rejse, og der er frustrationer og forhindringer undervejs. Når man nu læser min ,succeshistorie’, så skal man vide, at jeg også har mødt modgang, har fejlet og har haft idéer, der ikke holdt. Sådan er videnskab, og derfor skal man være dedikeret og vedholdende. Man kan ikke bare forske til klokken fire, og så gå ud og spille golf bagefter. Det er en livslang mission«.
Hvem ved, hvad der foregår i en flues hjerne?
I Haim Sompolinskys essay i Ugeskrift for Læger har han et billede med fra et lysmikroskop med neurale kredsløb fra en bananflues hjerne.
Det billede repræsenterer et af højdepunkterne i hans forskerliv: den eksperimentelle dokumentation for hans teori om neuronernes aktivitet i forhold til vores rumlige orientering.
»Jeg udviklede min teori om neurokredsløbet for rumlig orientering for 30 år siden, kendt som ,ringmodellen’, og præcis tyve år senere blev ringformen af det kredsløb observeret i et forsøg med fluers rumlige navigationssystem. Det var næsten for godt til at være sandt, at jeg kunne se ikke bare neuronernes aktivitet langs ringen, men også mønsteret af deres synaptiske forbindelser, som jeg havde forudset det«.
Bananfluen spiller også en afgørende rolle i den eksplosive udvikling i neurovidenskaben, som Haim Sompolinsky har været vidne til.
»At forstå hjernen er at forstå verdens rigdom og kompleksitet. For verden bliver repræsenteret i hjernen i mønstre af neural aktivitet. Det er forbløffende, at de her komplekse koder kan gøre alt det«Haim Sompolinsky
»Nu har vi nye værktøjer til præcist at kortlægge forbindelserne mellem neuronerne i store netværk. Derfor var det et gennembrud i feltet, da vi for nylig endelig fik en komplet kortlægning af en flues hjerne med alle 150.000 neuroner og deres forbindelser i fluehjernen, et såkaldt ,connectom’«.
Men »revolutionen« byder også på et dilemma. For den overvældende mængde af data er både en velsignelse og en udfordring.
»Det er fantastisk, at vi nu har den komplette kortlægning af fluehjernen. Men hvem kan tolke det kort? Vi kan se, hvordan fluens neuroner er forbundet, men vi har kun fragmenteret viden om, hvordan de her forbundne kredsløb får fluen til at flyve, navigere, jage, gøre kur eller parre sig.
Tilsvarende i forhold til kognition ved vi stadig ikke, hvordan neurale kredsløb genererer følelser, tanker, planlægning eller sprog. Og det her kæmpe gab mellem, at vi ved rigtig meget om strukturerne, men meget lidt om deres forbindelse med de forskellige funktioner, er en udfordring for forståelsen af hjernen. Og det gab bliver større, jo flere data vi får på mikroskopisk niveau«.
Det er derfor, at Haim Sompolinsky også skriver om »the power of theory« i sit essay
»Uden teori er der ikke nogen vej til at lukke det gab. Teoriens rolle er at forklare, hvordan de her byggesten agerer sammen som et system«.
Indtil nu har Haim Sompolinsky forsket i de neurale kredsløb, men kunstig intelligens (AI), som også er inspireret af neurovidenskaben, åbner for helt nye muligheder.
»Fremskridt inden for neurovidenskaben har dannet model for udvikling af kunstige neurale netværk og vil også i fremtiden fungere som generator for meget stærkere AI, men vi kan også udnytte AI som generator for neurovidenskaben«, siger han.
»Indtil for bare ti år siden kunne vi udvikle teorier og modeller af ret simple kognitive funktioner og visuelle opgaver som at afgøre position og orientering af et objekt eller et dyr i landskabet. Men vi kunne ikke modellere, hvordan det visuelle system genkender en genstand som for eksempel en kuglepen på et rodet skrivebord eller en bil i trafikken. For det foregår på et højere niveau og kræver forståelse af informationsbearbejdning i flere lag af neurale kredsløb.
Men med AI har vi fået et værktøj til at bygge modeller i stor skala, som mere eller mindre følger den struktur, som det visuelle system er bygget på. Og som kan udføre visuelle opgaver på højt niveau – endda nogle gange på menneskeligt niveau. Faktisk kan vi nu modellere det komplette visuelle system, som jo udgør en stor del af vores hjerne. Så AI gør det muligt i stort omfang at udvide og forbedre vores modeller«.
En anden ny mulighed, som AI byder på, er at finde ud af, hvordan hjernen processerer sprog.
»Hvis du havde spurgt mig for få år siden, om jeg kunne finde ud af, hvordan hjernen genererer sprog, ville jeg have afvist det blankt. Det er for kompliceret – for mange områder og niveauer af hjernen er involveret, og det foregår på så højt et niveau, at det kan vi godt opgive at finde ud af. Så alt det med sprog overlod vi til lingvisterne. Men nu, hvor vi har de store sprogmodeller, kan vi begynde at angribe det fra en teoretisk neurovidenskabelig vinkel.
Ved at undersøge, hvordan de kunstige neurale netværk genererer sprog, kan vi finde de underliggende principper for, hvordan sprog bliver opfattet og dannet i den menneskelige hjerne. Så det åbner for et helt nyt område. Det er endnu en revolution, og vi er kun lige ved at kradse i overfladen«.
Siden den unge Haim Sompolinsky begyndte at bevæge sig ind på neurovidenskabens område, har han ændret syn på hjernen. Og den vigtigste lære er, at hjernen er næsten ubegribeligt kompleks.
»At forstå hjernen er at forstå verdens rigdom og kompleksitet. For verden bliver repræsenteret i hjernen i mønstre af neural aktivitet. Det er forbløffende, at de her komplekse koder kan gøre alt det. Og det er derfor, det er så fascinerende. Det er derfor, jeg også taler om at løse den neurale kodes mysterier – for det er måske videnskabens største mysterium, at sådan et biologisk væv kan repræsentere så stor en rigdom«.
Haim Sompolinsky er 74 år og klar til næste kapitel i sit forskerliv, som han er sikker på vil bringe nye store opdagelser med sig, takket være AI. Måske endda løsningen på mysteriet om neuronernes sprog.
Alderen tænker han ikke over. Det gjorde hans far heller ikke. David Sompolinsky skrev sine sidste videnskabelige artikler, da han var i midten af halvfemserne og gik kun modvilligt på pension som 94-årig. Han glemte aldrig sin tid i København og danskernes indsats for at redde jøderne. David Sompolinsky var skarp til det sidste og døde som 100-årig i 2021.
På det tidspunkt havde sønnen for længst taget arven op som forsker og slået sit navn fast internationalt. Og med prisoverrækkelsen i København føler Haim Sompolinsky, at en cirkel er sluttet.
Fakta
