Геро Мийзенбьок предлага ново виждане за мозъка

Аз имам двойник. (Смях) Д-р Геро е прекрасен, но леко луд учен в Dragonball Z "Сагата Андроид". Ако се вгледате много внимателно, ще видите, че черепът му е заменен с прозрачен плексигласов купол, така че да се вижда как работи мозъкът му, и да може да се контролира със светлина. Аз правя точно това -- оптичен контрол на мозъка.

(Смях)

Но за разлика от моя злонамерен двойник, който жадува надмощие над света, моите мотиви не са користни. Аз контролирам мозъка, за да разбера как работи. Почакайте, може да кажете, как може да пристъпите директно към контролиране на мозъка, без първо да разбирате как работи? Не означава ли това да поставяме каручката пред коня? Много невролози споделят тази позиция и смятат, че това разбиране ще дойде вследствие на обстойно наблюдение и анализ. Те казват: "Ако можем да регистрираме активността на нашите неврони, бихме разбрали как работи мозъкът." Но помислете за момент какво означава това. Дори ако можехме да преценим какво прави всяка клетка във всеки един момент, пак щеше да е необходимо да намерим логиката в регистрираните модели на активността, а това е толкова трудно, че шансовете да разберем тези модели, са точно толкова малки, колкото и за мозъка, който ги генерира.

Погледнете как би могла да изглежда активността на мозъка. В тази симулация, всяка черна точка представлява една нервна клетка. Точката става видима, всеки път, когато клетката излъчи електрически импулс. Невроните тук са 10 000 на брой. Което означава, че гледате около един процент от мозъка на хлебарка. Вашите мозъци са около 100 милиона пъти по-сложни. Някъде, в модел като този, сте вие, вашите възприятия, вашите емоции, вашите спомени, вашите планове за бъдещето. Но не знаем точно къде, тъй като не знаем как да разчетем модела. Не разбираме кода, използван от мозъка. За да отбележим напредък, трябва да разшифроваме кода. Но как? Всеки добър специалист, ще ви каже, че за да разберете какво означават символите в определен код, от съществено значение е да можете свободно да си служите с тях, да ги пренареждате, както решите. Така че, и в тази ситуация, за да се разшифрова информацията, която се съдържа в модели като тези, само наблюдение няма да е достатъчно; трябва да пренаредим модела. С други думи, вместо да регистрираме активността на невроните, трябва да я контролираме. Не е задължително да контролираме активността на всички неврони в мозъка, само на някои. Колкото по-целенасочени са интервенциите ни, толкова по-добре. И ще ви покажа след малко как можем да постигнем необходимото прецизиране.

И понеже съм по-скоро реалист, отколкото грандоман, не твърдя, че възможността да се контролира функцията на нервната система ще разгадае мигновено всичките й мистерии. Но със сигурност ще научим много. Аз при всички случаи не съм първия човек, който осъзнава колко мощно средство са подобни интервенции. Исторически, опитите да се разучават функциите на нервната система, датират отдавна и са широко известни. Те водят началото си преди поне 200 години, от известните експерименти на Галвани в края на 18-ти век, както и след това. Галвани показва, че жабешките крачета потръпват, когато свързва лумбалния нерв към източник на електрически ток. Този експеримент разкрива първата и може би най-основна находка за невралния код: информацията е записана под формата на електрически импулси. Подходът на Галвани на изследване на нервната система с електроди, си остава шедьовър и до днес, въпреки немалкото му слабости. Поставянето на жици в мозъка обаче, е очевидно доста непрактично. Трудно е да се направи с животни, които бягат наоколо, а и има физическо ограничение за броя на жиците, които могат да се поставят едновременно.

Така, към края на миналия век, започнах да мисля, не би ли било чудесно, ако се ползва същата логика, но в обратен ред. Следователно, вместо поставянето на жица в определена част на мозъка, може да се подходи към самия мозък така, че някои от невралните му елементи да са чувствителни към дифузно излъчвани сигнали, какъвто е например светкавицата. Такъв един подход, буквално светкавично, ще доведе до преодоляването на много препятствия по пътя на откритията. Първо, очевидно е неагресивна, безжична форма на комуникация. И второ, точно както при радио излъчването, може да се комуникира с много получатели на сигнал едновременно. Не е нужно да знаете къде са тези получатели. И е без значение дали тези получатели се движат -- просто си представете стерео уредбата в колата си. А още по-добре е, че се оказва, че можем да измайсторим получателите, измежду веществата, които са кодирани в ДНК. Така, всяка нервна клетка с правилния генетичен състав, може спонтанно да формира получател, който ще ни позволи да контролираме функциите му. Надявам се да оцените очарованието на това, колко проста е тази концепция. Няма никакви високо технологични приспособления, само биология, илюстрирана чрез биология.

Сега, нека да погледнем по-отблизо тези удивителни приемници. Разглеждайки по-обстойно тези лилави неврони, виждаме, че външната им мембрана e покрита с микроскопични пори. Такива пори провеждат електрически ток и отговарят за цялата комуникация в нервната система. Но тези пори тук са специални. Те са свързани с рецептори за светлина, подобни на тези във вашите очи. В случай на светкавица, достигаща до рецептора, пората се отваря и електрическия поток е налице и невроните излъчват електрически импулси. Тъй като пората, активирана от светлината, е кодирана в ДНК, можем да постигнем изключителна точност. Това е така, защото въпреки, че всяка клетка в телата ни съдържа един и същи комплекс от гени, различни комбинации от гени се "включват" и "изключват" в различните клетки. Това обстоятелство може да бъде уверение, че само някои неврони съдържат порите, които се активират от светлина, други -- не. На тази илюстрация, клетката в синьо-бял цвят в горния ляв ъгъл, не реагира на светлина, защото при нея липсва пора, реагираща на светлина. Този подход работи толкова добре, че можем да пишем изкуствени съобщения директно към мозъка. В този пример, всеки електрически импулс, всяко отклонение на траекторията е предизвикано от кратък импулс светлина. Подходът е приложим също и при движещи се, активни животни.

Това е първия по рода си подобен експеримент, нещо като оптичния вариант на този на Галвани. Реализиран е преди шест или седем години, от тогавашната ми студентка, Сузана Лима. Сузана поставя мушицата от ляво по такъв начин, че само две от всички 200 000 клетки в мозъка й проявяват порите, чувствителни към светлина. Вие познавате тези клетки, защото те са точно тези, които ви ядосват, когато се опитате да ударите мухата. Те предизвикват рефлекса, който кара мухата да скочи във въздуха и да отлети всеки път, когато посегнете с ръка. И в случая както виждате, светкавицата има точно такъв ефект. Животното подскача, разперва крилете си, потреперва, но всъщност не може да излети, защото мушиците са поставени между две стъклени плочки. Сега, за да се увери, че това не е реакция на мушицата, към светкавица, която може да види, Сузана прави простичък, но изключително ефективен експеримент. Тя отрязва главите на мушиците. Тези обезглавени тела могат да живеят около ден, но без особени способности. Те просто стоят и щураво се суетят наоколо. Така че изглежда, че единствената черта, която оцелява, е суетата. (Смях) Така или иначе, както ще видите след малко, Сузана успява да активира летателния рефлекс на тази част от мушицата, която е еквивалента на гръбначния стълб и да накара някои от обезглавените тела да излетят и да се придвижат. Очевидно, не стигат много далеч. От момента, в който са направени тези първи стъпки, сферата на оптогенетика търпи бурно развитие. Понастоящем, стотици лаборатории използват тези подходи.

Извървяхме дълъг път от първите успехи на Галвани и Сузана да накарат животни да потръпват или скачат. Сега, всъщност можем да влияем на психологията им по доста значим начин, както ще видите в последния ми пример, който се отнася до един известен въпрос. Животът е низ от избори, което създава постоянен натиск да решим какво следва да правим. С този натиск се справяме чрез нашите мозъци, а в нашите мозъци са центровете за вземане на решения, които аз условно съм нарекъл Играчът. Играчът прилага линии на поведение, които отчитат състоянието на заобикалящата го среда и контекстът, в който функционираме. Действията ни променят заобикалящата ни среда или контекст и тези променени величини, отново заемат мястото си в цикъла на решенията.

Сега, за да вложим невробиологично съдържание в този абстрактен модел, създадохме елементарен модел на света, с едно измерение за нашите любими субекти, плодовите мушици. Всяка от камерите в тези две вертикални хранилища съдържа по една мушица. Левите и десните половини на камерите са пълни с два различни аромата, а камера за видеонаблюдение следи движението на мушиците нагоре и надолу между тях. Ето част от заснетия материал. Всеки път, когато някоя от мушиците достигне средата на камерата, където двата аромата се срещат, тя трябва да вземе решение. Тя трябва да реши дали да се завърти и да остане при същия аромат или да пресече средната линия и да опита нещо ново. Тези решения са ясно отражение на линията на поведение на Играчът. За интелигентно същество като нашата мушица, тази линия на поведение не е неотменима, по-скоро се променя, докато животното се учи от опита си. Можем да включим такъв елемент на адаптивна интелигентност в нашия модел, чрез допускане, че мозъкът на мушицата включва не само Играч, но и различни групи от клетки, Критикa, която предлага постоянен коментар за изборите на Играчa. Може да си представите този натрапчив вътрешен глас, като еквивалента за мозъка на Католическата Църква, ако сте австриец като мен, или на суперегото, ако сте Фройдист или на вашата майка, ако сте евреин.

(Смях)

Очевидно, критиката е ключовият компонент на нашата интелигентност. Сега се насочваме към идентифициране на тези клетки в мозъка на мушицата, които играят ролята на Критиката. Логиката на нашия експеримент е проста. Приемаме, че ако можем да използваме оптичното дистанционно управление, за да активираме клетките на Критиката, следва да можем, изкуствено, да накараме Играчът да промени линията си на поведение. С други думи, мушицата следва да се поучи от грешките, които смята, че е направила, а в действителност не е. Така, създадохме мушици, чиито мозъци са много или малко произволно осеяни с клетки, които са чувствителни към светлина. После взехме тези мушици и им предоставихме избор. И всеки път, когато правят един от два избора, избират даден аромат, в този случай, синия пред оранжевия, включваме светлините. Ако Критиката е съставена от оптично чувствителни клетки, резултатът от тази интервенция следва да бъде промяна в линията на поведение. Мушицата следва да се научи да избягва оптично подсиления аромат.

Ето какво се случва в два от примерите. Сравняваме два щама мушици, всяка от които има около 100 светло-чувствителни клетки в мозъка си, отразени тук в зелено, в ляво и в дясно. Общото между тези групи от клетки е, че те всички произвеждат невротрансмитера допамин. Същността на отделните неврони, произвеждащи допамин, обаче, очевидно се различава много в ляво и в дясно. Оптичното активиране на тези стотина клетки, при двата щама мушици, дава коренно различни резултати. Ако погледнете първо поведението на мушицата в дясно, ще видите, че всеки път, когато достигне средата на камерата, където двата аромата се срещат, продължава право напред, както и преди. Поведението й е напълно непроменено. Поведението на мушицата в ляво е много различно. Всеки път, когато достигне средата, прави пауза, внимателно изучава разделящата аромата повърхнина, като че ли вдишва заобикалящата го среда и после се обръща. Това означава, че линията на поведение, която Играчът следва сега включва инструкция да се избягва аромата, който е в дясната половина на камерата. Това означава, че Критиката трябва да е проговорила у това животно и че Критиката трябва да се съдържа сред произвеждащите допамин неврони в ляво, но не и сред произвеждащите допамин неврони в дясно.

Чрез множество такива експерименти, успяхме да сведем идентичността на Критиката, до едва 12 клетки. Тези 12 клетки, както е показано тук в зелено, изпращат изходните данни към мозъчна структура, която се нарича гъбовидното тяло, което тук е в сиво. Знаем oт нашия условен модел, че в структурата на мозъка, от страната на получаващия коментара на Критиката, е Играчът. Следователно, тази анатомия предполага, че гъбовидните тела имат нещо общо с избора на действие. Въз основа на всичко, което знаем за гъбовидните тела това звучи съвсем логично. Всъщност, звучи толкова логично, че можем да направим платка за електронна играчка, която да стимулира поведението на мушицата. В тази платка на електронната играчка, невроните на гъбовидното тяло са обозначени с вертикален ред от сини светодиоди (LED индикатори), в центъра на полето. Светодиодите са свързани към сензори, които отчитат присъствието на молекули на аромата във въздуха. Всеки аромат активира различна комибинация от сензори, което на свой ред активира различен детектор на аромат, в гъбовидното тяло. Така пилотът в пилотската кабина на мушицата, Играчът, може да различи кой аромат е налице, като просто погледне кой от сините светодиоди е включен.

Какво прави Играчът с тази информация, зависи от линията му на поведение, която се съхранява в силата на връзката между детекторите за аромат и двигателните мускули, които дават тласък на уклончивите действия на мушицата. Ако връзката е слаба, двигателните мускули няма да се задействат и мушицата ще продължи напред по курса си. Ако връзката е силна, мускулите се задействат и мушицата прави завой. Сега си представете ситуация, в която двигателните мускули остават в покой, мушицата продължава по пътя си и претърпява болезнено следствие, като например да бъде ударена. В ситуация като тази, се очаква Критиката да заговори и да каже на Играчът да промени линията си на поведение. Ние създаваме такава ситуация изкуствено, чрез задействане на Критиката със светлинен проблясък. Това води до засилване на връзките между активния в момента детектор на аромат и двигателните мускули. Така, следващия път, мушицата се оказва пред същия аромат отново, връзката е достатъчно силна, за да задейства двигателните мускули и да предизвика отстъпление.

Не знам за вас, но аз считам, че е обнадеждаващо да се види как неясни психологически схващания отстъпват място на началото на едно материално, механистично възприятие за мозъка, дори и да става дума за мозъка на муха. Това е своебразна добра новина. Другата своебразна добра новина, или поне добра за един учен, е че предстоят още много открития. В експериментите, за които ви споменах, въведохме величината идентичност на Критиката, но все още нямаме идея как работи Критиката. Като се замисля над това, да знаете, че когато грешите учителя ви или майка ви ги няма, за да ви кажат, е много трудна задача. Съществуват идеи в компютърната наука и в тази за изкуствения интелект, как може да се направи това, но все още не намираме обяснение в нито един пример, как интелигентно поведение възниква от физически взаимодействия в живата материя. Мисля, че ще го постигнем в обозримото бъдеще.

Благодаря ви!

(Аплодисменти)