Gero Miesenboeck überarbeitet ein Gehirn

Ich habe einen Doppelgänger. (Gelächter) Dr. Gero ist ein brillanter, aber auch etwas verrückter Wissenschaftler in der Dragonball Z "Andorid Saga". Wenn Sie genau hinsehen, dann sehen Sie, dass sein Schädel ersetzt wurde durch eine durchsichtige Plexiglas-Kuppel, damit man beobachten kann, wie sein Gehirn arbeitet, und auch durch Licht gesteuert wird. Das ist genau das, was ich tue - optische Bewusstseinskontrolle.

(Lachen)

Aber im Gegensatz zu meinem bösen Zwilling, der die Weltherrschaft begehrt, sind meine Motive nicht bösartig. Ich kontrolliere das Gehirn, um zu verstehen, wie es arbeitet. Moment, warte mal eine Minute, sagen Sie, wie können Sie darangehen, das Gehirn zu beeinflussen, ohne es zuerst zu verstehen? Spannt man da nicht den Karren vor das Pferd? Viele Neurowissenschaftler stimmen damit überein und denken, dass man Verstehen durch genauere Beobachtung und Analyse erreicht. Sie sagen: "Wenn wir die Aktivitäten unserer Neuronen aufzeichnen könnten, würden wir das Gehirn verstehen." Aber denken Sie einen Moment darüber nach. Selbst wenn wir messen könnten, was jede Zelle die ganze Zeit über macht, müssten wir immer noch einen Sinn in den aufgezeichneten Aktivitätsmustern erkennen. Das ist so schwierig, denn es kann sein, dass wir diese Muster genauso wenig verstehen, wie die Gehirne, die sie produzieren.

Schauen Sie sich einmal an, wie Gehirnaktivität aussehen könnte. In dieser Simulation ist jeder schwarze Punkt eine Nervenzelle. Der Punkt ist immer dann sichtbar, wenn eine Zelle elektrische Impulse abfeuert. Das sind 10.000 Neuronen. Sie schauen auf nicht einmal ein Prozent des Gehirns einer Küchenschabe. Ihre Gehirne sind ungefähr 100 Millionen Mal komplizierter. Irgendwo gibt ein Muster wie dieses, das Sie sind, Ihre Wahrnehmungen, Ihre Emotionen, Ihre Erinnerungen, Ihre Pläne für die Zukunft. Aber wir wissen nicht wo, da wir nicht wissen, wie wir das Muster lesen sollen. Wir verstehen den Code nicht, der vom Gehirn benutzt wird. Um Fortschritte zu machen, müssen wir den Code knacken. Aber wie? Ein erfahrener Code-Knacker wird Ihnen erzählen, um herauszufinden, was die Symbole in einem Code bedeuten, ist es notwendig in der Lage zu sein, mit ihnen zu spielen, um sie willentlich neu anzuordnen. Also auch in dieser Situation, um die Informationen zu dekodieren, die in Mustern wie diesen enthalten sind, wird zuschauen alleine nicht reichen; wir müssen die Muster reorganisieren. Mit anderen Worten, anstelle die Aktivität der Neuronen aufzuzeichnen, müssen wir sie kontrollieren. Es ist nicht notwendig, dass wir die Aktivität aller Neuronen des Gehirns kontrollieren können, sondern nur einige. Je gezielter unsere Interventionen sind, desto besser. Und ich werde Ihnen in einem Moment zeigen, wie wir die notwendige Präzision erreichen können.

Und da ich eher realistisch als grandios bin, behaupte ich nicht, dass die Fähigkeit, die Funktionen des Nervensystems zu kontrollieren, auf einen Schlag alle seine Geheimnisse enträtseln wird. Aber wir werden mit Sicherheit sehr viel lernen. Nun, ich bin keinesfalls die erste Person, die realisiert hat, wie mächtig eine Intervention mit Werkzeugen ist. Die Geschichte der Versuche, an den Funktion des Nervensystems herumzubasteln, ist lang und glanzvoll. Es geht mindestens 200 Jahre zurück, zu Galvanis berühmten Experimenten im späten 18. Jahrhundert und darüber hinaus. Galvani zeigte, dass die Schenkel eines Frosches zuckten, wenn er den Lumbalnerv mit einer Quelle elektrischem Stroms verband. Diese Experiment deckte den ersten und vielleicht wesentlichsten Brocken des Neuralen Codes auf: Information ist in der Form von elektrischen Impulsen geschrieben. Galvanis Ansatz, das Nervensystem mit Elektroden zu untersuchen, entspricht bis heute dem modernsten Stand der Technik, ungeachtet einer Anzahl von Nachteilen. Drähte am Gehirn zu befestigen ist offensichtlich sehr primitiv. Es ist schwer, dies mit herumlaufenden Tieren zu machen, und es gibt eine physikalische Grenze bezüglich der Anzahl der Drähte, die gleichzeitig angebracht werden können.

Um die Jahrtausendwende begann ich darüber nachzudenken, dass es wundervoll wäre, wenn man diese Logik nähme und auf den Kopf stellen könnte. Statt einen Draht an einer bestimmten Stelle des Gehirns einzufügen, überarbeiten wir das Gehirn selbst, so dass einige der neuralen Elemente auf diffus gesendete Signale reagieren, wie zum Beispiel ein Lichtblitz. Solch ein Ansatz würde sprichwörtlich blitzschnell, viele Hindernisse der Forschung überwinden. Erstens ist es eindeutig eine unblutige, drahtlose Form der Kommunikation. Und zweitens, wie bei einer Radioübertragung, kann man mit vielen Empfängern auf einmal kommunizieren. Sie müssen nicht wissen, wo diese Empfänger sind. Und es macht nichts, ob sich diese Empfänger bewegen - denken Sie einfach an das Radio in Ihrem Auto. Es wird sogar noch besser. Es scheint, dass wir diese Empfänger herstellen können, mit Hilfe des Materials, dass in der DNA kodiert ist. Jede Nervenzelle mit dem richtigen genetischen Aufbau wird spontan einen Empfänger produzieren, der uns erlaubt, dessen Funktion zu kontrollieren. Ich hoffe, Sie schätzen die herrliche Einfachheit dieses Konzeptes. Es gibt hier keine High-Tech Spielereien, einfach nur Biologie, die durch Biologie aufgedeckt wurde.

Nun, sehen wir uns diese Wunder-Empfänger einmal genauer an. Wenn wir eines dieser violetten Neuronen vergrößern, sehen wir, dass die äußere Membran übersät ist mit mikroskopisch kleinen Poren. Poren wie diese leiten elektrischen Strom und reagieren auf sämtliche Kommunikation im Nervensystem. Aber diese Poren sind besonders. Sie sind mit Licht-Rezeptoren verbunden, ähnlich denen in Ihren Augen. Wann immer ein Lichtblitz diese Rezeptoren trifft, öffnen sich die Poren und elektrischer Strom wird angeschaltet und die Neuronen feuern elektrische Impulse. Da die lichtgesteuerte Pore in der DNA kodiert ist, können wir unglaubliche Präzision erreichen. Dies passiert, auch wenn jede Zelle in unserem Körper dasselbe Set von Genen enthält, so werden verschiedene Kombinationen von Genen in verschiedenen Zellen an- und ausgeschaltet. Sie können das nutzen, um sicherzustellen, dass nur einige Neuronen unsere lichtgesteuerte Pore enthalten und andere nicht. In diesem Entwurf, die bläulich-weiße Zelle in der oberen linken Ecke reagiert nicht auf Licht, da sie keine lichtgesteuerte Pore hat. Der Ansatz funktioniert so gut, dass wir komplett künstliche Nachrichten schreiben können, direkt ins Gehirn. In diesem Beispiel wird jeder elektrische Impuls, jede Abweichung von der Spur, durch einen kurzen Lichtimpuls verursacht. Und der Ansatz funktioniert auch bei Tieren, die sich bewegen.

Das ist das erste Experiment seiner Art, eine Art optisches Gegenstück zu Galvani. Es wurde vor sechs oder sieben Jahre durchgeführt, von meiner damaligen Doktorandin Susana Lima. Susana hat die Fruchtfliege auf der linken Seite so verändert, dass nur zwei der 200.000 Gehirnzellen die lichtgesteuerte Pore aufweisen. Sie kennen diese Zellen, denn es sind diejenigen, die Sie frustrieren, wenn Sie versuchen eine Fliege totzuschlagen. Diese haben den Flucht-Reflex ausgebildet, welche die Fliege in die Luft hüpfen und davon fliegen lässt, immer dann, wenn Sie Ihre Hand in Position gebracht haben. Und Sie können hier sehen, dass der Lichtblitz genau denselben Effekt hat. Das Tier springt, es breitet seine Flügel aus, es vibriert diese, aber sie kann nicht wirklich abheben, da die Fliege zwischen zwei Glasscheiben gefangen ist. Um nun sicherzustellen, dass dies keine Reaktion der Fliege auf einen Blitz war, den sie sehen konnte, hat Susanne ein einfaches aber brutal effektives Experiment durchgeführt. Sie hat den Fliegen die Köpfe abgeschnitten. Diese kopflosen Körper können noch ungefähr einen Tag leben, aber sie tun nicht sehr viel. Sie standen einfach nur herum und pflegen sich übermäßig. Es scheint also, dass der einzige Wesenszug, der die Enthauptung überlebt, die Eitelkeit ist. (Gelächter) Wie auch immer, wie Sie in einem Moment sehen werden, war Susana in der Lage den Flugmotor einzuschalten, welcher das Äquivalent des Rückenmarks dieser Fliegen ist, und brachte einige der kopflosen Körper dazu, wirklich abzuheben und davonzufliegen. Sie kamen offensichtlich nicht sehr weit. Seitdem wir diese ersten Schritte unternahmen, ist das Gebiet der Optogenetik explodiert. Und nun gibt es Hunderte von Laboratorien, die diesen Ansatz nutzen.

Und wir haben einen langen Weg hinter uns, seit Galvanis und Susanas ersten Erfolgen, Tiere zum Zucken oder Springen zu bringen. Wir können nun tatsächlich in ihre Psychologie eingreifen auf ziemlich tiefgreifende Weise, wie ich Ihnen in meinem letzten Beispiel zeigen werde, welches sich mit einer bekannten Frage beschäftigt. Leben ist eine Folge von Entscheidungen, welches den konstanten Druck erzeugt zu entscheiden, was als nächstes zu tun ist. Wir bewältigen den Druck, indem wir Gehirne haben, und in unseren Gehirnen, Entscheidungs-Zentren, die ich hier den Akteur ("Actor") genannt habe. Der Akteur führt eine Regel aus, die den Zustand der Umgebung berücksichtigt und den Kontext, in dem wir operieren. Unsere Aktionen verändern die Umgebung oder den Kontext, und diese Veränderungen werden dann im Entscheidungskreislauf berücksichtigt.

Legen Sie nun ein wenig neurobiologisches Fleisch auf dieses abstrakte Model. Wir haben eine einfache ein-dimensionale Welt konstruiert für unser Lieblingsthema: Fruchtfliegen. Jede Kammer in diesen zwei vertikalen Stapeln enthält eine Fliege. Die linken und rechten Hälften der Kammern sind mit zwei unterschiedlichen Gerüchen gefüllt, und eine Sicherheitskamera beobachtet, wie sich die Fliegen zwischen diesen hin und her bewegen. Hier sind einige Überwachungsbilder. Immer dann, wenn eine Fliege die Mitte der Kammer erreicht, dort wo die beiden Gerüche sich treffen, muss sie eine Entscheidung treffen. Sie muss entscheiden, entweder wieder umzudrehen und im selben Geruch zu bleiben, oder die Mittellinie zu überschreiten und etwas Neues zu versuchen. Diese Entscheidungen sind eindeutig eine Reflexion der Regel des Akteurs. Für ein intelligentes Wesen wie unsere Fliege, ist diese Regel nicht in Stein gemeißelt, sondern verändert sich, während das Tier durch Erfahrung lernt. Wir können ein Element der lernfähigen Intelligenz in unser Model einbauen, indem wir annehmen, dass das Gehirn der Fliege nicht nur einen Akteur beinhaltet, sondern eine unterschiedliche Gruppe von Zellen, ein Kritiker, der einen ständigen Kommentar liefert aufgrund der Entscheidungen des Akteurs. Sie können diese nörgelnde innere Stimme betrachten als Gegenstück des Gehirns zur katholischen Kirche, wenn Sie wie ich ein Österreicher sind, oder das Über-Ich, wenn Sie Freudianer sind, oder Ihre Mutter, wenn Sie Jude sind.

(Gelächter)

Nun, offensichtlich ist der Kritiker ein Hauptbestandteil dessen, was uns intelligent macht. Also machten wir uns auf, die Zellen im Gehirn der Fliege zu identifizieren, welche die Rolle des Kritikers spielen. Und die Logik unseres Experiments war einfach. Wir dachten uns, wenn wir unsere optische Fernsteuerung benutzen könnten, um die Zellen des Kritikers zu aktivieren, sollten wir in der Lage sein, synthetisch auf dem Akteur herumzuhacken, bis er seine Regel ändert. Mit anderen Worten, die Fliege sollte von Fehlern lernen, von denen sie dachte, sie hätte sie gemacht, aber sie tatsächlich nicht gemacht hat. Also haben wir Fliegen gezüchtet, deren Gehirne mehr oder weniger zufällig marmoriert waren mit lichtempfindlichen Zellen. Wir haben diese Fliegen genommen und ihnen erlaubt, eine Wahl zu treffen. Immer dann, wenn Sie eine von zwei Entscheidungen getroffen haben, also einen Geruch wählten, in diesem Fall den blauen über den orangenen, haben wird die Lichter eingeschaltet. Wenn der Kritiker unter den optisch-aktivierten Zellen wäre, sollte das Ergebnis der Intervention eine Veränderung der Regel sein. Die Fliege sollte lernen, den optisch-verstärken Geruch zu vermeiden.

Hier nun, was in zwei Fällen geschah. Wir vergleichen zwei Stämme von Fliegen, jede davon hatte ungefähr 100 lichtempfindliche Zelle in ihren Gehirnen, hier links und rechts grün markiert. Die Gemeinsamkeit dieser Gruppen von Zellen ist, dass diese alle den Neurotransmitter Dopamin produzieren. Aber die Identitäten der verschiedenen Dopamin produzierenden Neuronen sind links und rechts eindeutig sehr verschieden. Die optische Aktivierung dieser ungefähr hundert Zellen bei den beiden Stämmen der Fliegen hat dramatisch unterschiedliche Konsequenzen. Wenn Sie zunächst auf das Verhalten der Fliege rechts sehen, dann sehen Sie, immer wenn sie den Mittelpunkt der Kammer erreicht, wo sich die beiden Gerüche treffen, läuft sie direkt weiter, wie vorher auch. Das Verhalten ist absolut unverändert. Aber das Verhalten der Fliege links unterscheidet sich sehr. Immer wenn sie zum Mittelpunkt kommt, bleibt sie stehen, untersucht sorgfältig die Schnittstelle der Gerüche, als ob sie die Umgebung ausschnüffeln würde, und dann dreht sie um. Das heißt, dass die Regel, welche der Akteur ausführt, nun eine Anweisung beinhaltet, den Geruch zu vermeiden, der in der rechten Hälfte der Kammer ist. Das heißt, der Kritiker in diesem Tier muss gesprochen haben, und dass sich der Kritiker unter den Dopamin produzierenden Neuronen links befinden muss, aber nicht bei den Dopamin produzierenden Neuronen rechts.

Durch viele solcher Experimente waren wir in der Lage, die Identität des Kritikers einzugrenzen bis auf 12 Zellen. Diese 12 Zellen, hier in grün gezeigt, senden ihre Leistung an eine Gehirnstruktur, die Pilzkörper genannt wird, der hier in grau dargestellt ist. Wir wissen von unserem formellen Model, dass die Gehirnstruktur am dem Ende, welches den Kommentar des Kritikers empfängt, der Akteur ist. Die Anatomie suggeriert also, dass die Pilzkörper etwas zu tun haben mit Handlungsauswahl. Basierend auf allem, was wir über die Pilzkörper wissen, macht dies absolut Sinn. Tatsächlich, macht es so viel Sinn, dass wir einen elektronischen Spielzeug-Schaltkreis entwickeln können, der das Verhalten der Fliege simuliert. In diesem elektronischen Spielzeug-Schaltkreis sind die Neuronen des Pilzkörpers symbolisiert durch die vertikale Reihe der blauen LEDs in der Mitte der Platine. Diese LEDs sind mit Sensoren verdrahtet, welche das Vorhandensein von Geruchsmolekülen in der Luft wahrnehmen. Jeder Geruch aktiviert eine unterschiedliche Kombination von Sensoren, die wiederum aktiviert einen unterschiedlichen Geruchsdetektor im Pilzkörper. Der Pilot im Cockpit der Fliege, der Akteur, kann also sagen, welcher Geruch vorhanden ist, einfach indem er nachsieht, welche der blauen LEDs aufleuchtet.

Was der Akteur mit dieser Information macht, hängt von der Regel ab, die in der Stärke der Verbindung gespeichert ist zwischen den Geruchsdetektoren und den Motoren, welche die Ausweichmanöver der Fliege mit Energie versorgt. Wenn die Verbindung schwach ist, werden die Motoren ausbleiben und die Fliege wird ihren Kurs geradlinig fortsetzen. Wenn die Verbindung stark ist, werden die Motoren anspringen und die Fliege wird eine Wende einleiten. Nun, stellen Sie sich eine Situation vor, in welcher die Motoren ausbleiben, die Fliege setzt ihren Weg fort und erleidet einige schmerzliche Konsequenzen, wie zum Beispiel einen Schlag zu bekommen. In einer Situation wie dieser würden wir erwarten, dass sich der Kritiker meldet, um dem Akteur zu befehlen, seine Regel zu verändern. Wir haben eine solche Situation künstlich hergestellt, indem wir den Kritiker durch einen Lichtblitz aktivieren. Das hat eine Verstärkung der Verbindung verursacht, zwischen dem derzeit aktiven Geruchsdetektor und den Motoren. Beim nächsten Mal also, wenn die Fliege wieder demselben Geruch ausgesetzt ist, ist die Verbindung stark genug, um die Motoren anzuschalten und ein Ausweichmanöver auszulösen.

Ich weiß nicht, was Sie denken, aber ich finde es anregend zu sehen, wie sich vage psychologische Kenntnisse verflüchtigen und uns zu einem physikalischen, mechanischen Verstehen des Verstandes führen, selbst wenn es der Verstand einer Fliege ist. Das ist ein Teil der guten Nachrichten. Der andere Teil der guten Nachrichten, zumindest für den Wissenschaftler, ist, dass noch vieles verbleibt, um entdeckt zu werden. In den Experimenten, von denen ich Ihnen erzählt habe, haben wir die Identität des Kritikers gelüftet, aber wir haben immer noch keine Ahnung davon, wie der Kritiker seine Arbeit erledigt. Wenn ich es mir recht überlege, zu wissen, wann man falsch liegt, ohne dass Ihnen ein Lehrer oder Ihre Mutter das sagt, ist ein schwieriges Problem. Es gibt ein paar Ideen in der Computerwissenschaft und der künstlichen Intelligenz, wie man das machen könnte, aber wir haben immer noch nicht ein einziges Beispiel gelöst, wie intelligentes Verhalten vom physikalischen Zusammenspiel überspringt auf lebende Materie. Ich denke, wir werden in der nicht zu fernen Zukunft dorthin gelangen.

Vielen Dank.

(Applaus)