Gero Miesenboeck přestavuje mozek

Mám dvojníka. (Smích) Dr. Gero je vynikající, ale trochu šílený vědec z Dragonball Z "Android Ságy". Když se pečlivě podíváte, vidíte, že jeho lebka byla nahrazena průhlednou kopulí z plexiskla, tak, aby mohla být činnost jeho mozku pozorována a také ovládána světlem. To je přesně, co já provádím -- optické ovládání mysli.

(Smích)

Ale na rozdíl od mého zlomyslného dvojčete, který dychtí po ovládnutí světa, mé motivy nejsou zlověstné. Ovládám mozek, abychom věděli, jak pracuje. Teď si můžete říkat: "Počkej, počkej, jak může přeskočit na ovládání mozku, aniž by mu nejprve rozuměl?" Není to jako stavět dům od střechy? Mnoho neurovědců se na tomto stanovisku shodne. Domnívají se, že porozumění lze dosáhnout detailnějším pozorováním a rozborem. Říkají, "Kdybychom mohli zaznamenat činnost našich neuronů, porozuměli bychom mozku." Ale na chvíli se zamyslete, co to znamená. I kdybychom mohli zaznamenat, co která buňka kdy dělá, museli bychom stále rozluštit zaznamenaná schémata jejich činnosti, a to je tak obtížné, že pravděpodobně budeme moci rozumět těmto schématům jen trochu, stejně tak jako mozku, který je produkuje.

Podívejme se, jak asi vypadá činnost mozku. V této simulaci, každá černá tečka je jedna nervová buňka. Tečka je viditelná pokaždé, kdy buňka vyšle elektrický impulz. Zde je 10 000 neuronů. Takže se díváte odhadem na jedno procento mozku švába. Váš mozek je asi 100 milionkrát komplikovanější. Někde je schéma stejné jako toto, jste to vy, vaše smysly, vaše emoce, vaše vzpomínky vaše plány do budoucna. Ale nevíme kde, jelikož nevíme, jak tato schémata rozluštit. Nerozumíme kódu, který mozek používá. Abychom se pohnuli kupředu, potřebujeme rozluštit tento kód. Ale jak? Zkušený luštitel kódů vám řekne, že k rozluštění kódu a jeho symbolů je potřeba si s nimi umět hrát, libovolně je přeskupovat. A tak je tomu i v této situaci, k dešifrování informace obsažené v tomto schématu, pouhé pozorování nestačí, potřebujeme přeskupit schéma. Jinými slovy, namísto zaznamenání činnosti neuronů je potřebujeme ovládat. Není důležité ovládat činnost všech neuronů v mozku, stačí jen některé. Čím cílenější jsou naše zásahy, tím lépe. A za malý moment vám ukáži, jak můžeme dosáhnout potřebné přesnosti.

A jelikož jsem realistický a nejsem nafoukaný, netvrdím, že schopnost ovládat funkci nervového systému najednou odkryje všechna tajemství. Ale dozajista se mnoho naučíme. Nyní, jsem rozhodně první člověk, který si uvědomil, jak mocný je tento nástroj. Seznam pokusů v rýpání se ve funkcích nervového systému je proslulý a dlouhý. Pocházejí z období přinejmenším před 200 lety od Galvaniho proslulého experimentu v pozdním 18. století a dál. Galvani ukázal, že se žabí stehýnko cuká, když zapojí bederní nerv ke zdroji elektrického proudu. Tento experiment odhalil první a možná nejvýznamnější povahu nervového kódu: informace je zaznamenána ve formě elektrických impulzů. Galvaniho přístup zkoumání nervového systému pomocí elektrod zůstal nejvyspělejší metodou až do dnes, navzdory počtu nevýhod. Strkat dráty do mozku je evidentně docela kruté. Je to těžké se zvířaty, která pobíhají kolem, a také počet drátů, které můžete zapojit zároveň je omezený.

Takže na přelomu minulého století jsem se zamyslel, nebylo by to úžasné, kdybychom mohli využít této logiky a převrátit ji vzhůru nohama. Namísto zasunování drátů do mozku, můžeme zkonstruovat samotný mozek, tak, aby některé jeho nervové články reagovaly na difůzně vysílané signály, jako například paprsek světla. Takový příistup by doslova v momentu překonal mnoho překážek k objevům. Za prvé, jedná se zjevně o neinvazivní, bezdrátovou formu komunikace. A za druhé, stejně jako u vysílání rádia, můžete komunikovat s mnoha příjemci najednou. Nemusíte vědět, kde se tito příjemci nachází. A nezáleží na tom, zda se tito příjemci pohybují -- jen si představte rádio ve vašem autě. A to není všechno, ukázalo se, ze můžeme vyrobit přijímače z materiálu, který je zakódovaný v DNA. Každá nervová buňka se správnou genetickou úpravou samovolně vyprodukuje přijímač, který nám dovolí ovládat její funkce. Doufám, že oceníte tu krásu jednoduchosti této koncepce. Nejedná se zde o žádný hi-tech přístroj, pouze biologii odhalovanou skrze biologii.

Pojďme se teď podívat na tyto zázračné přijímače zblízka. Jakmile přiblížíme na jeden z těchto fialových neuronů, vidíme, že jeho vnější membrána je hustě pokryta mikroskopickými póry. Póry jako tyto vedou elektrický proud a jsou odpovědné za veškerou komunikaci nervového systému. Ale tyto póry jsou zvláštní. Jsou spojené do světelných receptorů, podobných těm, jaké jsou ve vašich očích. Kdykoli záblesk světla zasáhne receptor, pór se otevře a spustí se elektrický proud, a neuron vyšle elektrické impulzy. Jelikož tento světlem aktivovaný pór je zakódován v DNA, mužeme dosáhnout neuvěřitelné přesnosti. Je tomu tak, přestože každá buňka v našem těle obsahuje stejnou sadu genů, různé kombinace genů se zapnou či vypnou v různých buňkách. Tohoto mužete využít, abyste se ujistili, že pouze některé neurony obsahují naše světlem aktivované póry a některé ne. Na této kresbě, tato namodrale bílá buňka v horním levém rohu nereaguje na světlo, protože postrádá světlem aktivované póry. Tento přístup funguje tak dobře, že můžeme posílat čistě umělé zprávy přímo do mozku. V tomto případě, každý elektrický impulz, každá odchylka od trasy, ja způsobena krátkým bliknutím. Tento postup funguje také u pohybujících se, reagujících zvířat.

Toto je naprosto ojedinělý experiment svého druhu, jakási optická obdoba Galvaniho pokusu. Byl vykonán před 6 či 7 lety mojí tehdejší promující studentkou, Susanou Lima. Susana překonstruovala octomilku tady nalevo, tak, že pouze dvě z 200 000 buněk v jejím mozku vykázaly světlem aktivované póry. Znáte tyto buňky, protože to jsou ty, které vás frustrují když se snažíte mouchu zaplácnout. Vytrénovaly únikový reflex, který přiměje mouchu uletět, kdykoli pohnete rukou. A tady můžete vidět, jak proud světla má naprosto stejný efekt. Živočich poskočí, reflex mu rozvine křídla, rozechvěje je, ale nemůže vzlétnout, protože moucha je obložená dvěma skleněnými destičkami. Abychom se ujistili, že se nejedná o reakci mouchy na světlo, které vidí, Susana provedla jednoduchý, ale nesmírně účinný experiment. Usekla mouchám hlavy. Tato bezhlavá těla mohou žít zhruba den, ale moc toho nedělají. Jen tak postávají a nadměrně se upravují. Tak to vypadá, že jediná vlastnost, která přetrvala, je marnivost. (Smích) Jak za okamžik uvidíte, Susana dokázala zapnout jejich režim létání u jejich obdoby páteřní míchy a podařilo se jí, aby některá bezhlavá těla vzlétla a odlétla. Zjevně neodletěla nijak daleko. Od doby, kdy jsme udělali tyto první kroky, obor optogenetiky se prudce rozrostl. Nyní jsou stovky laboratoří, které využívají tohoto přístupu.

A máme za sebou dlouhou cestu od Galvaniho a Susanina prvního úspěchu v přimění zvířat, aby se cukala či skákala. Nyní se dokonce můžeme vměšovat do jejich psychologie velmi důmyslným způsobem, jak vám ukáži ve svém posledním příkladu, který se řídí známou otázkou. Život je řetězcem možností způsobujícím konstatní tlak, abychom se rozhodli, co dělat dál. S tímto tlakem se vyrovnáváme používáním mozku, a v něm, centra rozhodování, kterému zde říkám Činitel. Činitel uskuteční postup, který zohlední stav prostředí a kontext, ve kterém fungujeme. Naše činy mění prostředí či kontext, a tyto změny zpětně reagují na smyčku rozhodnutí.

Nyní přidáme trochu neurobiologické příměsi do tohoto abstraktního modelu, vybudovali jsme jednoduchý jednorozměrný svět pro náš oblíbený objekt zkoumání, octomilky. Každá komora v těchto dvou svislých komínech obsahuje jednu octomilku. Levá a pravá polovina komor obsahuje jiný pach, a bezpečnostní kamera pozoruje octomilky, jak se mezi nimi pohybují nahoru a dolů. Tady je jejich záznam. Jakmile moucha dosáhne středu komory, kde se ty dva pachy střetávají, musí se rozhodnout, jestli se má otočit a zůstat ve stejném pachu, nebo má překročit střed a zkusit něco nového. Tato rozhodnutí jsou jasně výsledkem Činitelova postupu. Jelikož se jedná o inteligenci mouchy, tento postup není stálý, ale mění se s přibývajícími zkušenostmi živočicha. Můžeme zahrnout element adaptivní inteligence do našeho modelu, když budeme předpokládat, že mozek mouchy neobsahuje pouze Činitele, ale i jinou skupinu buněk, Posuzovatele, který poskytuje průběžný komentář k výběru Činitele. Pod tímto sekýrováním si můžete představit jakousi obdobu mozku Katolické církve, jestliže jste Rakušan jako já, nebo jakési nadjá, jestliže jste zastánce Freuda, nebo vaši matku, jestliže jste Žid.

(Smích)

Očividně, Posuzovatel je klíčovou přísadou, která nás tvoří inteligentními. A tak jsme se rozhodli identifikovat ty buňky v mozku mouchy, které hrají roli Posuzovatele. Logika našeho experimentu byla jednoduchá. Domnívali jsme se, že jestliže můžeme použít dálkový ovladač k aktivaci buněk Posuzovatele, můžeme také, uměle, naléhat na Činitele, aby změnil svůj postup. Jinými slovy, moucha by se měla učit z chyb, které si myslí, že udělala, ale ve skutečnosti žádné neudělala. A tak jsme vypěstovali mouchy, jejichž mozky jsme více méně nahodile poseli buňkami, které jsou světelně směrovatelné. Pak jsme vzali tyto mouchy a nechali je učinit rozhodnutí. A kdykoliv se rozhodly pro jedno z řešení, vybraly jeden pach, v tomto případě, ten modrý před oranžovým, zapli jsme světla. Jestliže byl Posuzovatel mezi opticky aktivovanými buňkami, výsledkem tohoto zásahu by měla být změna v postupu. Moucha by se měla naučit vyhnout se opticky posílenému pachu.

Tady jsou dva příklady. Porovnáváme dva druhy much, každá z much má v mozku kolem 100 světelně směrovatelných buněk, které tady vidíte zeleně nalevo a napravo. Co je běžné u těchto skupin buněk, je, že produkují neurotransmiter dopamin. Ale totožnosti jednotlivých dopamin vyrábějících neuronů jsou zřetelně jiné nalevo a napravo. Stovky opticky aktivovaných buněk ve dvou druzích much přináší dramaticky různé důsledky. Když se podíváte nejprve na chování mouchy napravo, vidíte, že kdykoliv se přiblížila středu komory, kde se dva pachy střetávají, napochoduje si přímo skrz, jako kdyby to už dělala. Její chování zůstává neměnné. Ale chování mouchy nalevo je jiné. Kdykoliv dosáhne středu, zastaví se, opatrně prozkoumá pach rozhraní, jako kdyby čenichala jeho prostředí, a pak se otočí zpět. To znamená, že postup, který Činitel nyní realizuje zahrnuje instrukce vyvarovat se pachu, který je v pravé straně komory. To znamená, že Posuzovatel promluvil k živočichovi, a že patří mezi neurony produkující dopamin nalevo a ne mezi neurony produkující dopamin napravo.

Díky mnoha podobným experimentům jsme byli schopni zúžit počet možných buněk identifikovatelných jako Posuzovatel na pouhých 12 buněk. Těchto 12 buněk, jak vidíte tady zeleně, vysílá data do části mozku zvaného houbovité těleso, které je zde vyznačeno šedivě. Víme, z našeho předchozího modelu, že poslední strukturou mozku, která dostává Posuzovatelovy komentáře, je Činitel. Tato anatomie naznačuje, že houbovitá tělesa mají co dočinění s výběrem jednání. Na základě všeho, co víme o houbovitých tělesech, to dává dokonalý smysl. Ve skutečnosti to dává takový smysl, že můžeme vyrábět hračky s elektronickým obvodem, který představuje chování mouchy. Na této hračce s obvodem, jsou neurony houbovitého tělesa symbolizovány svislou plošinou s modrými diodami ve středu desky. Tyto diody jsou připojené k senzorům, které ve vzduchu odhalí přítomnost aromatických molekul. Každý pach aktivuje jiné kombinace senzorů, které střídavě aktivují různé pachové detektory v houbovitých tělesech. Takže pilot v kabině mouchy, Činitel, může rozeznat, který pach je přítomný, pouhým pohledem na to, která z modrých diod je rozsvícena.

Co Čintel s touto informací udělá, závisí na postupu, který je uložen v síle spojení mezi detektory pachu a motory, které pohánějí vyhýbavé jednání mouchy. Jestliže je spojení slabé, motory zůstanou vypnuty a moucha bude pokračovat ve své dráze. Jestliže je spojení silné, motory se zapnou a moucha se stočí. Nyní zvažme situaci, kdy by motory zůstaly vypnuty, moucha by pokračovala ve své cestě a utrpěla bolestivé následky, jako například zaplácnutí. V těchto situacích bychom očekávali od Posuzovatele, že se ujme slova a řekne Činiteli, aby změnil postup. Takovouto situaci jsme uměle vytvořili tím, že jsme se obrátili na Posuzovatele se světlem. To způsobilo zesílení spojení mezi momentálně aktivním detektorem pachu a motory. Takže příště, až moucha bude čelit stejnému pachu, spojení bude dostatečně silné k zapnutí motorů a spustí úhybný manévr.

Nevím, jak vy, ale myslím si, že je radostné vidět, jak neurčité psychologické poznatky mizí a přenechávají místo fyzickému, mechanistickému chápání mysli, i když se jedná o mysl mouchy. Toto je první část dobré zprávy. Ta druhá část dobré zprávy, přinejmenším pro vědce, je, že toho zbývá mnoho objevit. V pokusech, o kterých jsem vám vyprávěl, jsme určili identitu Posuzovatele, ale stále nemáme ponětí, jak Posuzovatel provádí svou práci. Příjít na to, že se mýlíte, aniž by vám to učitel, či vaše matka řekli, je velký problém. Jsou nějaké nápady nabízené počítačovou vědou či umělou inteligencí, jak se to může dít, ale stále jsme nevyřešili jediný příklad toho, jak se vyklube inteligentní chování z fyzických interakcí v živé hmotě. Myslím, že se k tomu v nedaleké budoucnosti dopracujeme.

Děkuji.

(Potlesk)