Ishmail Abdus-Saboor har fascinerats av naturens mångfald sedan han var en pojke som växte upp i Philadelphia. Naturvandringarna han tog under ledning av sin lärare i tredje klass, Mr. Moore, hänförde honom. "Vi fick interagera och engagera oss i vilda djur och se djur i sin hemmiljö," mindes han. Abdus-Saboor tog också med sig ett menageri av varelser – katter, hundar, ödlor, ormar och sköldpaddor – in i sitt trevåningshus och sparade upp sitt bidrag för att köpa en tidning som lärde honom om sköldpaddor. När vuxna frågade honom vad han ville bli när han växte upp, "jag sa att jag ville bli vetenskapsman", sa han. "Jag höjde alltid på ögonbrynen."

Abdus-Saboor avvek inte från det målet. Idag är han en docent i biologiska vetenskaper vid Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute vid Columbia University, där han studerar hur hjärnan bestämmer om en beröring på huden är smärtsam eller behaglig. "Även om den här frågan är grundläggande för den mänskliga erfarenheten, är det fortfarande förbryllande att förklara med tillfredsställande molekylära detaljer," sa han. Eftersom huden är vårt största känselorgan och en viktig kanal till vår miljö, kan den innehålla ledtrådar för att behandla tillstånd från kronisk smärta till depression.

För att hitta dessa ledtrådar undersöker Abdus-Saboor nervsystemet vid varje tillfälle längs hud-till-hjärnans axel. Han fokuserar inte bara på huden eller bara på hjärnan som många andra gör. "Vi slår samman dessa två världar," sa han. Det tillvägagångssättet, tillade han, kräver att man behärskar två uppsättningar av tekniker, att läsa två uppsättningar litteratur och att delta i två uppsättningar vetenskapliga möten. "Det ger oss ett unikt steg upp", sa han. Det har lett till en landmärke papper publicerades förra året i Cell som lade ut hela neurala kretsen för behaglig beröring.

Abdus-Saboor har också varit pionjär inom en nytt kvantitativt mått på smärta i möss, ett verktyg som han och hans team anpassade för att samla bevis för det transgenerationella arvet av opioidberoende. Hans resultat i gnagare antyder att överdriven användning av opioid från föräldrar kan förändra genuttrycket på ett sätt som utsätter barn för detsamma.

En mottagare av ett flertal utmärkelser för sina prestationer, utsågs Abdus-Saboor till den första klassen av Howard Hughes Medical Institutes Freeman Hrabowski-forskare förra maj. Priset ger upp till 8.6 miljoner dollar under ett decennium till forskare i tidig karriär med stigande stjärnor vars laboratorier främjar mångfald och inkludering.

Quanta pratade med Abdus-Saboor om hans förkärlek för att börja om inom vetenskapen, hans zebrafisk-eureka-ögonblick och hans förhoppningar om en nyimporterad koloni av naken mullvadsråtta. Intervjuerna har förtätats och redigerats för tydlighetens skull.

När du var barn, stöttade dina föräldrar ditt intresse för vetenskap?

Det gjorde de verkligen. Jag skulle börja få djur i födelsedagspresent för de såg hur fascinerad jag var av dem. Snabbspola fram till gymnasiet. I nian tillät mina föräldrar mig att ta över tredje våningen i vårt hus för det årslånga science fair-projektet jag gjorde för hedersbiologi. Jag hade hundratals kräftor överallt. Mina föräldrar är inte vetenskapsmän, men de var mycket stödjande av mina eskapader och äventyr i det vetenskapliga området.

Vad gör dina föräldrar?

Min mamma är ekonomichef på en revisionsbyrå. Min pappa var aktuarie innan han gick i pension. Så jag kan ha ärvt en matematisk böjelse. För att uppskatta ett djurs smärta, gör vi statistisk modellering för att kondensera dess beteendeegenskaper till en enda lättläst skala. Min pappa har kommit på några av mina föreläsningar, och även om biologin ofta är över hans huvud, blir han superentusiastisk över mattedelen av mitt arbete.

Hur formade college din karriär?

Jag gick på ett historiskt svart college, North Carolina A&T. Jag kommer från en släkt med människor som gick på den här typen av universitet. Mina föräldrar gick på Howard University. Det gjorde min moster också. En farbror gick på Virginia State, min farfar Lincoln University. Jag vet inte om jag hade något annat val än att gå på något av dessa universitet.

Ändå tycker jag att det var ett klokt beslut. Det ökade mitt självförtroende att se människor som såg ut som mig verkligen göra bra ifrån mig. Och kulturen på högskolan är vårdande, inte konkurrenskraftig. Fakultetsmedlemmar bryr sig om dig. Eleverna samarbetar och vill se varandra lyckas.

Forskade du på college?

Ja. Jag visste att forskningserfarenhet var viktig, så under min första månad på campus gick jag dörr till dörr och frågade fakulteten om forskningsmöjligheter. Jag blev anställd för att arbeta på en grisfarm. Det är roligt eftersom jag inte äter fläsk, men jag studerade om en förändring i grisarnas kost förändrade smaken på deras kött.

På den tiden flörtade jag med tanken på att bli veterinär. Så under mitt andra år arbetade jag på veterinärsjukhus, kastrerade, kastrerade och städade djur. Det var då jag insåg att spänningen jag kände som barn med vetenskap inte fanns där. Jag var inte kär i det arbetet.

Men mellan junior och senior år arbetade jag i ett molekylärbiologiskt labb vid University of Pennsylvania, och en glödlampa slocknade. Jag tänkte, "Wow, folk får betalt för att tänka på stora idéer och försöka hitta lösningar på problem som är viktiga för människors hälsa." Jag minns att jag sa till mina föräldrar: "Det här är det. Jag vill ta en doktorsexamen. i molekylärbiologi."

Vad fick dig att studera njutning och smärta?

Det var lite av en slingrig väg. Jag tog min doktorsexamen. vid University of Pennsylvania studerar en molekylär väg hos rundmaskar som är involverad i cellulär utveckling. Generna för proteinerna i denna väg är muterade i minst 30 % av mänskliga cancerformer. Mitt arbete visade hur dessa vägar styr den grundläggande typen och formen av en cell. Jag var den första i det labbet som studerade den vägen, så jag var tvungen att bygga många verktyg från grunden. Det har varit ett tema under hela min karriär: Jag gillar att kartlägga nya banor.

Och nästa kurs du kartlade tog dig till neurovetenskap. Varför?

Neurovetenskapen verkade vara i sin guldålder. Människor från olika discipliner samlades för att studera hjärnan, men det verkade som att det fortfarande fanns fler frågor än svar, så det fanns utrymme för mig att påverka. Jag gick in på sensorisk neurovetenskap delvis på grund av dess logiska enkelhet: Receptorer i huden aktiveras, och då får man på något sätt perception i hjärnan efter en serie reläer. Av de sensoriska systemen är beröring det minst studerade. Några av de stora frågorna är fortfarande öppna.

Hur kompenserade du för din bristande kunskap?

Till en början var jag osäker på min brist på formell utbildning. Som postdoc hade jag aldrig gått en kurs i neurovetenskap. Vid möten och i samtal med neuroforskare upptäckte jag ofta att jag inte kunde hänga med. Jag kunde inte språket. Men jag hade träffats regelbundet Michael Nusbaum, chef för biomedicinsk forskning vid Penn, efter att ha bett honom att mentor mig. En dag på sitt kontor föreslog han att han skulle utbilda mig i neurovetenskap. Under två timmar i veckan i över ett år diskuterade vi neurovetenskapliga uppsatser, med början på 1970- och 1980-talen. Jag lärde mig neurovetenskap på det sättet. Det uppmuntrade mig att säga, "OK, jag är en neuroforskare."

Jag är afroamerikan. Mikey Nusbaum är en vit judisk man från New York City. Ibland kanske de människor i livet som stöttar dig mest inte har någon direkt koppling till dig och din kultur.

Hur kom du fram till din smärtskala?

För mitt arbete med smärta tog jag ett steg tillbaka. Om vi ​​skulle använda möss för att studera smärta och potentiellt utveckla nya smärtstillande medel, behövde vi först svara på frågan: Hur vet vi att djuret upplever smärta? Traditionellt tittar forskare på hur ofta ett djur drar tillbaka sin tass från en stimulans, men djur flyttar sina tassar av alla möjliga skäl. Och eftersom det inte fanns någon standardisering, skulle olika laboratorier besluta att samma stimulans var ofarlig, smärtsam eller mycket smärtsam beroende på experimentet. Så jag sa: "Vi måste utveckla ett helt nytt system."

Hur fick du idén till det?

Jag fick idén från Michael Granato, en neuroforskare från Penn vars labb var nära vårt. Han studerade det akustiska skrämselsvaret hos larverzebrafiskar. Jag gick på ett labbmöte där Roshan Jain, då postdoc i Granato-labbet och nu fakultet vid Haverford College, talade om användningen av höghastighetsvideografi för att fånga svarsrörelser som är för snabba för att uppskatta med blotta ögat. Jag insåg att vi kunde använda samma tillvägagångssätt för att registrera ett djurs rörelser som svar på en hudstimulans, och använda dessa rörelser för att uppskatta djurets smärta. Det öppnade upp en helt ny värld.

Om jag inte hade gått på det mötet med zebrafiskforskaren hade jag aldrig fått den här idén. Jag går fortfarande på samtal och lyssnar på folk som pratar om maskar, flugor, fiskar, jäst, bakterier – you name it – för jag kanske lär mig något som jag kan integrera i det arbete vi gör. Den moderna vetenskapens skam är att alla är hyperfokuserade på sitt system, sitt förhållningssätt, sin organism, sin disciplin. Det kan kväva innovation när människor inte är brett utbildade och inte kliver utanför sin komfortzon.

Hur kopplade du en muss rörelser till dess upplevelse för att skapa en skala för att mäta smärta?

Först verifierade vi att en stimulans som ansågs oskadlig, som beröringen av en mjuk sminkborste, aktiverade beröringsneuroner i djurets hud och att en nål som sticker huden aktiverade smärtneuroner. Sedan registrerade vi djurets svarsrörelser på varje stimulus. För smärta grimaserade djuret, drog snabbt tillbaka sin tass och skakade den kraftigt. Vi gav ett numeriskt värde till varje typ av rörelse, hastigheten på tillbakadragandet och antalet tassskakningar. Vi gav sedan varje nummer en numerisk vikt, ett egenvärde, baserat på hur viktig egenskapen var för smärtnivån, och kombinerade sedan de viktade värdena till ett enda kvantitativt mått på smärta.

Hur ser du på att detta nya verktyg används?

Det finns två saker som vi är väldigt glada över. Den ena studerar genetisk variabilitet som en drivkraft för smärta. Den globala mänskliga befolkningen har mycket varierande smärtkänslighet. En del av det är sociokulturellt, men en del av det finns i DNA:t. Till exempel, människor som inte känner någon som helst smärta har genetiska mutationer som ligger bakom den egenskapen. I mitt labb har vi använt vår smärtskala för att mäta smärtkänsligheten hos cirka 20 olika musstammar. Vi har identifierat möss som inte svarar så mycket på smärta och andra som är överkänsliga. Vi använder genetiska kartläggningsmetoder för att hitta nya gener som kan ligga bakom denna smärtkänslighet.

Vi är också superglada över hur hjärnan styr övergången från akut till kronisk smärta. Vi använder vår smärtskala för att mäta smärtnivån i en mus och tar sedan en ögonblicksbild av musens hjärnaktivitet med hjälp av funktionell magnetresonanstomografi. Vi avbildar djuren varje dag för att hitta hjärnaktivitetsmönster som ligger till grund för övergången från akut till kronisk smärta. När vi väl hittar dem kan vi försöka ändra dem för att ändra förloppet av kronisk smärta. Vi är intresserade av de känslomässiga såväl som sensoriska komponenterna i denna smärta.

Har du studerat beröring som inte är smärtsam också?

Ja, i vår senaste Cell papper gick vi från huden till hjärnan för att förklara varför vissa former av beröring är givande.

Det är fantastiskt att det inte hade gjorts tidigare.

Den molekylära studien av beröring är fortfarande i sin relativa linda. De molekylära egenskaperna hos de olika klasserna av beröringsneuroner identifierades först i slutet av 2000-talet. Sedan dess har mycket av fokus legat på diskriminerande touch, den typ av touch som används för att skilja en fjärdedel från en krona baserat på textur. Social strökande beröring har varit mycket understuderad.

Hur började det här projektet?

David Andersons grupp vid California Institute of Technology rapporterade 2013 att vissa celler i huden reagerade på en mild beröring. Men de hade inte involverat dessa celler i något naturligt beteende eller skapat en koppling till hjärnan. Jag läste tidningen och bestämde mig för att försöka fylla dessa luckor. Under mitt sista år som postdoc, genetiskt modifierade jag möss för att ha milda beröringsneuroner som svarade på blått ljus. Min plan var att stimulera neuronerna med blått ljus och se vad mössen gjorde.

När jag startade mitt eget labb 2018 var vi redo att starta dessa experiment. Jag minns fortfarande dagen då eleverna kom in till mitt kontor för att visa mig vad de hade hittat. Det var som detta eureka-ögonblick. När vi aktiverade nervceller genom huden på mössens ryggar betedde sig djuren som om de blev klappade där. Det satte igång hela projektet. Vi gjorde många fler beteendetester och spårade vägen för social beröring från huden till ryggmärgen till belöningscentra i hjärnan.

Har det några medicinska konsekvenser att hitta denna hud-till-hjärna-väg?

Ja, huden är ett bra terapeutiskt mål. Den är tillgänglig och ger en direkt väg till den del av hjärnan som får oss att må bra. Tänk om vi kunde slå på dessa nervceller med en hudkräm för att förbättra den mentala hälsan - säg för att kompensera för skadan som orsakas av social isolering eller för att behandla ångest eller depression? När jag höll ett föredrag om detta i december var psykiatrikerna och neurofarmakologerna i publiken mycket entusiastiska över den terapeutiska potentialen.

Du har en koloni av nakna mullvadsråttor. Vad gör du med dem?

Nakna mullvadsråttor kommer från Östafrika. De lever under jorden och är i huvudsak blinda, förlitar sig starkt på beröring och använder morrhårliknande hår för att navigera i sina hålor och interagera med varandra. Touch upptar ett område av deras hjärna som är tre gånger större än hos andra däggdjur. Vi tror att beröring är viktigt för att forma deras sociala struktur.

Vi är också intresserade av dem eftersom mullvadsråttor inte känner vissa former av smärta. Till exempel visar de ingen smärtreaktion på molekylen capsaicin, den aktiva ingrediensen i paprika, vilket är ganska smärtsamt för de flesta däggdjur. De har receptorer i huden som svarar på capsaicin, så jag antar att djuren har hjärnbanor som stänger av smärtan. Om vi ​​kan hitta och utnyttja dessa signaler kan vi hitta ett nytt sätt att blockera smärta.

Vilka hinder har du som ung forskare behövt övervinna, oavsett om det är vetenskapligt, socialt eller kulturellt?

Sammantaget har jag haft turen att ha haft mentorer och kollegor av alla raser, nationaliteter och kön som trodde på mig och stöttade mig. Jag har haft mer tur än några andra underrepresenterade minoriteter som har arbetat i riktigt utmanande miljöer, och på grund av det är de inte här idag.

Som sagt, jag har inte gått igenom helskinnad. Universitetspolisen har stoppat mig och trakasserat mig för att de inte trodde att jag hörde hemma på campus. Jag har blivit stoppad i min egen byggnad och myndigheter har tillkallats mig. De flesta andra svarta forskare jag känner har haft mycket liknande erfarenheter. De här sakerna händer inte bara på universitetet utan även i kvarteret jag bor i, och när de gör det mår de inte bra och kan framkalla ilska och frustration. Men jag har alltid haft ett nätverk av människor som stöttar mig och har hjälpt mig att driva igenom de relativt få gånger i min karriär där jag har upplevt den typen av öppen rasism.

Har du råd till blivande svarta forskare?

Endast fantasin sätter gränser. Var inte förbittrad om du ser dig omkring och inte ser många människor som ser ut som du, för det håller på att förändras. Omge dig med bra människor. Ibland kommer dessa människor att se ut som du, men bli inte förvånad om några av dina största supportrar inte gör det. Var öppen och skapa de rätta kopplingarna.

Och krossa inte dina egna drömmar. Vi behöver människor från alla bakgrunder, alla samhällsskikt, eftersom vi har utmanande problem framför oss. Jag skulle uppmuntra svarta forskare eller någon person som är intresserad av det här arbetet: Om du har en kärlek och passion för det, gå för det.