Während eines Postdocs vor etwa 15 Jahren begann Ila Fiete, nach Fakultätsjobs in den Computational Neuroscience zu suchen - einem Bereich, in dem mathematische Werkzeuge zur Untersuchung der Gehirnfunktion verwendet werden. Zu diesem Zeitpunkt gab es in den USA jedoch keine ausgeschriebenen Stellen in theoretischen oder rechnergestützten Neurowissenschaften.

"Es war nicht wirklich ein Feld", erinnert sie sich. "Das hat sich komplett geändert, und [jetzt] werden 15 bis 20 Stellen pro Jahr ausgeschrieben." Am Ende fand sie eine Stelle im Zentrum für Lernen und Gedächtnis an der Universität von Texas in Austin, das zusammen mit einer kleinen Handvoll Universitäten, darunter MIT, Neurobiologen mit rechnerischem Hintergrund offen stand.

Die Berechnung ist der Eckpfeiler von Fietes Forschung am McGovern Institute for Brain Research des MIT, wo sie seit 2018 Fakultätsmitglied ist. Mit rechnerischen und mathematischen Techniken untersucht sie, wie das Gehirn Informationen auf eine Weise codiert, die kognitive Aufgaben wie Lernen, Gedächtnis, und Argumentation über unsere Umgebung.

Ein wichtiges Forschungsgebiet in Fietes Labor ist, wie das Gehirn in der Lage ist, die Position des Körpers im Raum kontinuierlich zu berechnen und diese Schätzung während unserer Bewegung ständig anzupassen. 

"Wenn wir durch die Welt gehen, können wir unsere Augen schließen und haben immer noch eine ziemlich gute Einschätzung, wo wir sind", sagt sie. „Dazu gehört, dass wir unsere Schätzung basierend auf unserem Gefühl der Selbstbewegung aktualisieren können. Es gibt auch viele Berechnungen im Gehirn, bei denen man sich eher durch den abstrakten oder mentalen als durch den physischen Raum bewegt und Geschwindigkeitssignale der einen oder anderen Art integriert. Einige der gleichen Ideen und sogar Schaltkreise für die räumliche Navigation könnten bei der Navigation durch diese mentalen Räume eine Rolle spielen. “

Keine bessere Passform

Fiete verbrachte ihre Kindheit zwischen Mumbai, Indien und den Vereinigten Staaten, wo ihr mathematischer Vater eine Reihe von Besuchs- oder Festanstellungen am Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, an der University of California in Berkeley und an der University of Michigan in Ann Arbor.

In Indien forschte Fietes Vater am Tata Institute of Fundamental Research und wuchs mit vielen anderen Kindern von Akademikern auf. Sie interessierte sich immer für Biologie, genoss aber auch Mathematik und trat in die Fußstapfen ihres Vaters.

„Mein Vater war kein praktischer Elternteil, wollte mir viel Mathematik beibringen oder mich sogar fragen, wie meine Mathe-Schularbeiten verlaufen, aber der Einfluss war definitiv da. Mathematisches Denken hat eine gewisse Ästhetik, die ich sehr indirekt aufgenommen habe “, sagt sie. "Meine Eltern haben mich nicht zu Akademikern gedrängt, aber ich konnte nicht anders, als mich von der Umwelt beeinflussen zu lassen."

Sie verbrachte ihre letzten zwei Jahre an der High School in Ann Arbor und ging dann an die University of Michigan, wo sie Mathematik und Physik studierte. Während ihres Aufenthalts arbeitete sie an Forschungsprojekten für Studenten, darunter zwei Sommeraufenthalte an der Indiana University und der University of Virginia, bei denen sie Erfahrungen aus erster Hand in der Physikforschung sammelte. Diese Projekte umfassten eine Reihe von Themen, darunter die Protonenbestrahlungstherapie, die magnetischen Eigenschaften von Einkristallmaterialien und die Niedertemperaturphysik.

"Diese drei Erfahrungen haben mich wirklich sicher gemacht, dass ich Akademiker werden wollte", sagt Fiete. „Es schien definitiv der Weg zu sein, den ich am besten kannte, und ich denke, er passte auch am besten zu meinem Temperament. Selbst jetzt, da ich mehr mit anderen Bereichen zu tun habe, kann ich mir keine bessere Lösung vorstellen. “

Obwohl sie sich immer noch für Biologie interessierte, belegte sie nur einen Kurs in diesem Fach am College und hielt sich zurück, weil sie nicht wusste, wie man quantitative Ansätze mit biologischen Wissenschaften verbindet. Sie begann ihr Studium an der Harvard University mit dem Plan, Niedertemperaturphysik zu studieren, entschied sich jedoch dort, quantitative Kurse in Biologie zu erforschen. Einer davon war ein systembiologischer Kurs des damaligen MIT-Professors Sebastian Seung, der ihre Karriere veränderte.

"Es war wirklich inspirierend", erinnert sie sich. „Es war wirklich aufregend, mathematisch über interagierende Systeme in der Biologie nachzudenken. Es war wirklich meine erste Einführung in die Systembiologie und hat mich sofort begeistert. “

Am Ende ihrer Doktorarbeit forschte sie in Seungs Labor am MIT, wo sie untersuchte, wie das Gehirn eingehende Signale der Geschwindigkeit der Kopfbewegung verwendet, um die Augenposition zu steuern. Wenn wir beispielsweise unseren Blick auf einen bestimmten Ort richten möchten, während sich unser Kopf bewegt, muss das Gehirn kontinuierlich die Spannung berechnen und anpassen, die in den die Augen umgebenden Muskeln erforderlich ist, um die Bewegung des Kopfes auszugleichen.

"Bizarre" Zellen

Nach ihrer Promotion gingen Fiete und ihr Ehemann, ein theoretischer Physiker, an das Kavli-Institut für Theoretische Physik an der University of California in Santa Barbara, wo sie jeweils Stipendien für unabhängige Forschung erhielten. Dort begann Fiete an einem Forschungsthema zu arbeiten, das sie bis heute studiert - Gitterzellen. Diese Zellen, die sich im entorhinalen Kortex des Gehirns befinden, ermöglichen es uns, durch unsere Umgebung zu navigieren, indem sie dem Gehirn helfen, eine neuronale Repräsentation des Raums zu erstellen.

In der Mitte ihrer Position dort erfuhr sie von einer neuen Entdeckung, dass, wenn sich eine Ratte über einen offenen Raum bewegt, eine Gitterzelle in ihrem Gehirn an vielen verschiedenen Stellen feuert, die geometrisch in einem regelmäßigen Muster sich wiederholender Dreiecke angeordnet sind. Zusammen bildet eine Population von Gitterzellen ein Gitter aus Dreiecken, die den gesamten Raum darstellen. Diese Zellen wurden auch im Gehirn verschiedener anderer Säugetiere, einschließlich des Menschen, gefunden.

"Es ist wunderbar. Es ist diese sehr kristalline Reaktion “, sagt Fiete. „Als ich darüber las, fiel ich von meinem Stuhl. Zu diesem Zeitpunkt wusste ich, dass dies etwas Seltsames war, das so viele Fragen zu Entwicklung, Funktion und Gehirnschaltungen aufwirft, die rechnerisch untersucht werden können. “

Eine Frage, die Fiete und andere untersucht haben, ist, warum das Gehirn überhaupt Gitterzellen benötigt, da es auch sogenannte Ortszellen hat, die jeweils an einem bestimmten Ort in der Umgebung feuern. Eine mögliche Erklärung, die Fiete untersucht hat, ist, dass Gitterzellen verschiedener Maßstäbe, die zusammenarbeiten, eine große Anzahl möglicher Positionen im Raum und auch mehrere Dimensionen des Raums darstellen können.

"Wenn Sie ein paar Zellen haben, die sparsam einen sehr großen Codierungsraum erzeugen können, können Sie es sich leisten, den größten Teil dieses Codierungsraums nicht zu nutzen", sagt sie. "Sie können es sich leisten, das meiste davon zu verschwenden, was bedeutet, dass Sie die Dinge sehr gut trennen können. In diesem Fall wird es nicht mehr so ​​anfällig für Lärm."

Seit ihrer Rückkehr zum MIT hat sie auch ein Forschungsthema verfolgt, das sich auf das bezieht, was sie in ihrer Doktorarbeit untersucht hat - wie das Gehirn neuronale Repräsentationen der Position des Kopfes im Raum beibehält. In einem Papier im letzten Jahr veröffentlichtSie entdeckte, dass das Gehirn einen eindimensionalen Ring neuronaler Aktivität erzeugt, der als Kompass fungiert und es dem Gehirn ermöglicht, die aktuelle Richtung des Kopfes relativ zur Außenwelt zu berechnen.

Ihr Labor untersucht auch die kognitive Flexibilität - die Fähigkeit des Gehirns, so viele verschiedene Arten von kognitiven Aufgaben auszuführen.

"Wie kommt es, dass wir dieselben Schaltkreise wiederverwenden und flexibel verwenden können, um viele verschiedene Probleme zu lösen, und welche neuronalen Codes sind für diese Art der Wiederverwendung geeignet?" Sie sagt. "Wir untersuchen auch die Prinzipien, die es dem Gehirn ermöglichen, mehrere Schaltkreise miteinander zu verbinden, um neue Probleme ohne viel Neukonfiguration zu lösen."