Ishmail Abdus-Saboor har vært fascinert av variasjonen i den naturlige verden siden han var en gutt som vokste opp i Philadelphia. Naturvandringene han tok under veiledning av læreren i tredje klasse, Mr. Moore, fascinerte ham. "Vi måtte samhandle og engasjere oss med dyrelivet og se dyr i deres hjemlige miljø," husket han. Abdus-Saboor tok også med seg et menasjeri av skapninger – katter, hunder, øgler, slanger og skilpadder – inn i det treetasjes hjemmet sitt, og sparte opp penger for å kjøpe et blad som lærte ham om skilpadder. Da voksne spurte ham hva han ville bli når han ble stor, "sa jeg at jeg ville bli vitenskapsmann," sa han. "Jeg hevet alltid øyenbrynene."

Abdus-Saboor vek ikke fra det målet. I dag er han en førsteamanuensis i biologiske vitenskaper ved Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute ved Columbia University, hvor han studerer hvordan hjernen bestemmer om en berøring på huden er smertefull eller behagelig. "Selv om dette spørsmålet er grunnleggende for den menneskelige opplevelsen, er det fortsatt gåtefullt å forklare med tilfredsstillende molekylære detaljer," sa han. Fordi huden er vårt største sanseorgan og en viktig kanal til miljøet vårt, kan den inneholde ledetråder for behandling av tilstander fra kronisk smerte til depresjon.

For å finne disse ledetrådene, undersøker Abdus-Saboor nervesystemet ved hvert kryss langs hud-til-hjerne-aksen. Han fokuserer ikke på huden alene eller hjemme på bare hjernen som mange andre gjør. "Vi slår sammen disse to verdenene," sa han. Denne tilnærmingen, la han til, krever å mestre to sett med teknikker, lese to sett med litteratur og delta på to sett med vitenskapelige møter. "Det gir oss et unikt ben opp," sa han. Det har ført til en landemerke papir publisert i fjor i Cell som la ut hele nevrale kretsen for behagelig berøring.

Abdus-Saboor har også vært en pioner nytt kvantitativt mål på smerte i mus, et verktøy han og teamet hans tilpasset for å samle bevis for den transgenerasjonelle arven til opioidavhengighet. Resultatene hans hos gnagere antyder at overdreven bruk av opioider fra foreldre kan endre genuttrykk på måter som setter barn i fare for det samme.

En mottaker av en rekke priser for sine prestasjoner, ble Abdus-Saboor kåret til den første klassen til Howard Hughes Medical Institutes Freeman Hrabowski-lærde mai sist. Prisen gir opptil 8.6 millioner dollar i løpet av et tiår til nye stjerneforskere i tidlig karriere, hvis laboratorier fremmer mangfold og inkludering.

Quanta snakket med Abdus-Saboor om hans forkjærlighet for å begynne på nytt i vitenskapen, hans sebrafisk-eureka-øyeblikk og hans håp om en nylig importert naken føflekkrottekoloni. Intervjuene er komprimert og redigert for klarhet.

Da du var barn, støttet foreldrene dine interessen din for vitenskap?

Det gjorde de absolutt. Jeg ville begynne å få dyr i bursdagsgaver fordi de så hvor fascinert jeg var av dem. Spol frem til videregående. I niende klasse tillot foreldrene mine meg å ta over tredje etasje i huset vårt for det årelange vitenskapsmesseprosjektet jeg gjorde for æresbiologi. Jeg hadde hundrevis av kreps overalt. Foreldrene mine er ikke forskere, men de var veldig støttende for mine eskapader og eventyr i det vitenskapelige riket.

Hva gjør foreldrene dine?

Min mor er økonomisjef i et regnskapsfirma. Faren min var aktuar før han ble pensjonist. Så jeg kan ha arvet en matematisk bøyning. For å tilnærme et dyrs smerte, gjør vi statistisk modellering for å kondensere dets atferdstrekk til en enkelt lettlest skala. Faren min har kommet på noen av foredragene mine, og selv om biologien ofte er over hodet på ham, blir han veldig begeistret for matematikkdelen av arbeidet mitt.

Hvordan formet college karrieren din?

Jeg gikk på et historisk svart college, North Carolina A&T. Jeg kommer fra en slekt av mennesker som gikk på denne typen universiteter. Foreldrene mine gikk på Howard University. Det gjorde min tante også. En onkel gikk på Virginia State, min bestefar Lincoln University. Jeg vet ikke om jeg hadde et annet valg enn å gå på et av disse universitetene.

Likevel synes jeg det var en klok avgjørelse. Det økte selvtilliten min å se folk som så ut som meg virkelig gjøre det bra. Og kulturen på høyskolen er nærende, ikke konkurransedyktig. Fakultetets medlemmer bryr seg om deg. Elevene jobber sammen og ønsker å se hverandre lykkes.

Forsket du på høgskolen?

Ja. Jeg visste at forskningserfaring var viktig, så den første måneden min på campus gikk jeg dør til dør og spurte fakultetet om forskningsmuligheter. Jeg ble ansatt for å jobbe på en grisefarm. Det er morsomt fordi jeg ikke spiser svinekjøtt, men jeg studerte om en endring i grisenes kosthold endret smaken på kjøttet deres.

På den tiden flørte jeg med tanken om å bli veterinær. Så i mitt andre år jobbet jeg på veterinærsykehus, med kastrering, kastrering og rengjøring av dyr. Det var da jeg innså at spenningen jeg følte som barn med vitenskap ikke var der. Jeg var ikke forelsket i det arbeidet.

Men mellom junior og senior år jobbet jeg i et molekylærbiologisk laboratorium ved University of Pennsylvania, og en lyspære gikk av. Jeg tenkte: "Wow, folk blir betalt for å tenke på store ideer og prøve å finne løsninger på problemer som er viktige for menneskers helse." Jeg husker at jeg sa til foreldrene mine: «Dette er det. Jeg ønsker å ta en Ph.D. i molekylærbiologi."

Hva fikk deg til å studere glede og smerte?

Det var en litt svingete vei. Jeg fikk min Ph.D. ved University of Pennsylvania studerer en molekylær vei i rundorm som er involvert i cellulær utvikling. Genene for proteinene i denne banen er mutert i minst 30 % av krefttilfellene hos mennesker. Arbeidet mitt demonstrerte hvordan disse banene kontrollerer den grunnleggende typen og formen til en celle. Jeg var den første i laboratoriet som studerte den veien, så jeg måtte bygge mange verktøy fra bunnen av. Det har vært et tema gjennom hele karrieren min: Jeg liker å kartlegge nye kurs.

Og det neste kurset du kartla tok deg til nevrovitenskap. Hvorfor?

Nevrovitenskap så ut til å være i sin gullalder. Folk fra forskjellige disipliner kom sammen for å studere hjernen, men det virket som om det fortsatt var flere spørsmål enn svar, så det var plass for meg til å påvirke. Jeg gikk over til sensorisk nevrovitenskap delvis på grunn av dens logiske enkelhet: Reseptorer i huden blir aktivert, og så får du på en eller annen måte persepsjon i hjernen etter en rekke releer. Av sansesystemene er berøring det som er minst studert. Noen av de store spørsmålene er fortsatt åpne.

Hvordan kompenserte du for manglende kunnskap?

Til å begynne med var jeg usikker på mangelen på formell trening. Som postdoktor hadde jeg aldri tatt en nevrovitenskapstime. På møter og i samtaler med nevrovitenskapsmenn fant jeg ofte ut at jeg ikke klarte å følge med. Jeg kunne ikke språket. Men jeg hadde vært regelmessig i møte med Michael Nusbaum, direktør for biomedisinsk forskning ved Penn, etter å ha bedt ham om å veilede meg. En dag på kontoret hans foreslo han at han skulle veilede meg i nevrovitenskap. I to timer i uken i over et år diskuterte vi nevrovitenskapelige artikler, fra 1970- og 1980-tallet. Jeg lærte nevrovitenskap på den måten. Det oppmuntret meg til å si: "OK, jeg er en nevrovitenskapsmann."

Jeg er afroamerikaner. Mikey Nusbaum er en hvit jødisk mann fra New York City. Noen ganger kan det hende at menneskene i livet som støtter deg mest ikke har noen direkte tilknytning til deg og din kultur.

Hvordan kom du frem til smerteskalaen din?

For arbeidet mitt i smerte tok jeg et skritt tilbake. Hvis vi skulle bruke mus til å studere smerte og potensielt utvikle nye smertestillende midler, måtte vi først svare på spørsmålet: Hvordan vet vi at dyret opplever smerte? Tradisjonelt ser forskere på hvor ofte et dyr trekker labben tilbake fra en stimulus, men dyr beveger potene av alle slags årsaker. Og fordi det ikke var noen standardisering, ville forskjellige laboratorier bestemme at den samme stimulansen var ufarlig, smertefull eller veldig smertefull avhengig av eksperimentet. Så jeg sa: "Vi må utvikle et helt nytt system."

Hvordan fikk du ideen til det?

Jeg fikk ideen fra Michael Granato, en nevroforsker fra Penn hvis laboratorium var i nærheten av vårt. Han studerte den akustiske skremmeresponsen hos larve sebrafisk. Jeg dro til et laboratoriemøte der Roshan Jain, da en postdoktor i Granato-laboratoriet og nå fakultet ved Haverford College, snakket om bruken av høyhastighetsvideografi for å fange responsbevegelser som er for raske til å forstå med det blotte øye. Jeg innså at vi kunne bruke den samme tilnærmingen til å registrere et dyrs bevegelser som svar på en hudstimulus, og bruke disse bevegelsene til å tilnærme dyrets smerte. Det åpnet en helt ny verden.

Hvis jeg ikke hadde gått på det møtet med sebrafiskforskeren, hadde jeg aldri fått denne ideen. Jeg går fortsatt på foredrag og hører på folk som snakker om ormer, fluer, fisk, gjær, bakterier – you name it – for kanskje jeg lærer noe jeg kan integrere i arbeidet vi gjør. Skamen med moderne vitenskap er at alle er hyperfokusert på systemet deres, deres tilnærming, deres organisme, deres disiplin. Det kan kvele innovasjon når folk ikke er bredt trent og ikke går utenfor komfortsonen.

Hvordan koblet du en muses bevegelser til opplevelsen for å lage en skala for måling av smerte?

Først bekreftet vi at en stimulus som ble ansett som ufarlig, som berøring av en myk sminkebørste, aktiverte berøringsnevroner i dyrets hud, og at en nål som prikket huden aktiverte smerteneuroner. Deretter registrerte vi dyrets responsbevegelser på hver stimulus. For smerte ville dyret grimasere, raskt trekke labben tilbake og ristet den kraftig. Vi ga en numerisk verdi til hver type bevegelse, hastigheten på tilbaketrekning og antall poteristninger. Vi ga deretter hvert tall en numerisk vekt, en egenverdi, basert på hvor viktig funksjonen var for smertenivået, og kombinerte deretter de vektede verdiene til et enkelt kvantitativt mål på smerte.

Hvordan ser du på at dette nye verktøyet blir brukt?

Det er to ting vi er veldig spente på. Den ene studerer genetisk variasjon som en driver for smerte. Den globale menneskelige befolkningen har vidt varierende smertefølsomhet. Noe av det er sosiokulturelt, men noe av det er i DNA. For eksempel, folk som ikke føler noen smerte har genetiske mutasjoner som ligger til grunn for denne egenskapen. I laboratoriet mitt har vi brukt smerteskalaen vår til å måle smertefølsomheten til rundt 20 forskjellige musestammer. Vi har identifisert mus som ikke reagerer mye på smerte og andre som er overfølsomme. Vi bruker genetiske kartleggingsmetoder for å finne nye gener som kan ligge til grunn for denne smertefølsomheten.

Vi er også superspente på hvordan hjernen styrer overgangen fra akutt til kronisk smerte. Vi bruker smerteskalaen vår til å måle smertenivået i en mus og tar deretter et øyeblikksbilde av musens hjerneaktivitet ved hjelp av funksjonell magnetisk resonansavbildning. Vi avbilder dyrene hver dag for å finne hjerneaktivitetsmønstre som ligger til grunn for overgangen fra akutt til kronisk smerte. Når vi har funnet dem, kan vi prøve å endre dem for å endre forløpet av kronisk smerte. Vi er interessert i de emosjonelle så vel som sensoriske komponentene i denne smerten.

Har du studert berøring som ikke er smertefull også?

Ja, i vår siste Cell papir, gikk vi fra huden til hjernen for å forklare hvorfor noen former for berøring er givende.

Det er utrolig at det ikke hadde blitt gjort før.

Den molekylære studien av berøring er fortsatt i sin relative spede begynnelse. De molekylære egenskapene til de forskjellige klassene av berøringsnevroner ble først identifisert på slutten av 2000-tallet. Siden den gang har mye av fokuset vært på diskriminerende berøring, den typen berøring som brukes til å skille en fjerdedel fra en krone basert på tekstur. Sosial strykeberøring har blitt mye understudert.

Hvordan startet dette prosjektet?

David Andersonsin gruppe ved California Institute of Technology rapporterte i 2013 at visse celler i huden reagerte på mild berøring. Men de hadde ikke involvert disse cellene i noen naturlig atferd eller laget en forbindelse til hjernen. Jeg leste avisen og bestemte meg for å prøve å fylle disse hullene. I mitt siste år som postdoktor, genetisk konstruerte jeg mus for å ha milde berøringsnevroner som reagerte på blått lys. Planen min var å stimulere nevronene med blått lys og se hva musene gjorde.

Da jeg startet mitt eget laboratorium i 2018, var vi klare til å starte disse eksperimentene. Jeg husker fortsatt dagen studentene kom inn på kontoret mitt for å vise meg hva de hadde funnet. Det var som dette eureka-øyeblikket. Når vi aktiverte nevroner gjennom huden på musenes rygg, oppførte dyrene seg som om de ble strøket der. Det startet hele prosjektet. Vi gjorde mange flere atferdstester og sporet veien for sosial berøring fra huden til ryggmargen til belønningssentrene i hjernen.

Har det noen medisinske implikasjoner å finne denne hud-til-hjerne-banen?

Ja, huden er et godt terapeutisk mål. Den er tilgjengelig og gir en direkte vei til den delen av hjernen som får oss til å føle oss bra. Hva om vi kunne skru på disse nevronene med en hudkrem for å forbedre mental helse - for eksempel for å oppveie skaden forårsaket av sosial isolasjon eller for å behandle angst eller depresjon? Da jeg holdt et foredrag om dette i desember, var psykiaterne og nevrofarmakologene i salen svært begeistret for det terapeutiske potensialet.

Du har en koloni med nakne føflekker. Hva gjør du med dem?

Nakne føflekker kommer fra Øst-Afrika. De lever under jorden og er i hovedsak blinde, og er avhengige av berøring, og bruker værhårlignende hår for å navigere i hulene og samhandle med hverandre. Berøring opptar et område av hjernen deres som er tre ganger større enn hos andre pattedyr. Vi tror berøring er viktig for å forme deres felles sosiale struktur.

Vi er også interessert i dem fordi føflekker ikke føler noen former for smerte. For eksempel viser de ingen smerterespons på molekylet capsaicin, den aktive ingrediensen i paprika, som er ganske smertefullt for de fleste pattedyr. De har reseptorer i huden som reagerer på capsaicin, så jeg antar at dyrene har hjernebaner som stenger smerten. Hvis vi kan finne og benytte oss av disse signalene, kan vi finne en ny måte å blokkere smerte på.

Som ung forsker, hvilke hindringer har du måttet overvinne, enten det er vitenskapelig, sosialt eller kulturelt?

Totalt sett har jeg vært ganske heldig som har hatt mentorer og kolleger av alle raser, nasjonaliteter og kjønn som trodde på meg og støttet meg. Jeg har vært mer heldig enn noen andre underrepresenterte minoriteter som har jobbet i virkelig utfordrende miljøer, og på grunn av det er de ikke her i dag.

Når det er sagt, har jeg ikke gått uskadd igjennom. Universitetspolitiet har stoppet meg og trakassert meg fordi de ikke trodde jeg hørte hjemme på campus. Jeg har blitt stoppet i min egen bygning, og myndighetene har blitt tilkalt. De fleste andre svarte forskere jeg kjenner har hatt veldig lignende opplevelser. Disse tingene skjer ikke bare på universitetet, men også i nabolaget jeg bor i, og når de gjør det, har de det ikke bra og kan provosere sinne og frustrasjon. Men jeg har alltid hatt et nettverk av mennesker som støtter meg og har hjulpet meg å presse meg gjennom de relativt få gangene i karrieren hvor jeg har opplevd den slags åpenlys rasisme.

Har du råd til aspirerende svarte forskere?

Himmelen er grensen. Ikke vær bitter hvis du ser deg rundt og ikke ser mange mennesker som ligner på deg, for det er i endring. Omgi deg med gode mennesker. Noen ganger vil disse menneskene se ut som deg, men ikke bli overrasket hvis noen av dine største støttespillere ikke gjør det. Vær åpen og lag de rette forbindelsene.

Og ikke knus dine egne drømmer. Vi trenger folk fra alle bakgrunner, alle samfunnslag, fordi vi har utfordrende problemer foran oss. Jeg vil oppfordre svarte forskere eller enhver person som er interessert i dette arbeidet: Hvis du har en kjærlighet og lidenskap for det, gå for det.