Gero Miesenboeck reconfigure un cerveau.

J'ai un double. (Rires) Dr Gero est un scientifique brillant mais légèrement fou dans la "Saga Android" Dragonball Z. Si vous regardez très attentivement, vous voyez que son crâne a été remplacé par un dôme en Plexigas transparent pour que les fonctionnements de son cerveau puissent être observés et aussi contrôlés par lumière. C'est exactement ce que je fais -- le contrôle de l'esprit par l'optique.

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Mais à l'inverse de mon jumeau démoniaque, qui convoite la domination du monde, mes motifs ne sont pas menaçants. Je contrôle le cerveau pour comprendre comment il fonctionne. Maintenant, attendez une minute, vous pouvez dire, comment pouvez-vous aller directement au contrôle du cerveau sans d'abord le comprendre? Est-ce que ce n'est pas mettre la charrue avant les bœufs? Beaucoup de neuroscientifiques sont d'accord avec cette vision et pensent que la compréhension viendra d'une observation et d'une analyse plus détaillées. Ils disent, "si nous pouvions enregistrer l'activité de nos neurones, nous comprendrions le cerveau." Mais réfléchissez un instant à ce que cela signifie. Même si nous pouvions mesurer ce que chaque cellule fait à tout moment, nous aurions encore à comprendre la signification des tracés d'activité enregistrés, et c'est si difficile, il y a des chances que nous comprenions ces tracés juste aussi peu que les cerveaux qui les produisent.

Jetez un coup d'oeil à quoi l'activité cérébrale pourrait ressembler. Dans cette simulation, chaque point noir est une seule cellule nerveuse. Le point est visible chaque fois qu'une cellule envoie une impulsion électrique. Il y a 10,000 neurones ici. Donc vous avez regardé à grossièrement un pour cent du cerveau d'un cafard. Vos cerveaux sont environ 100 millions de fois plus compliqués. Quelque part, il y a un tracé comme ceci, il y a vous, vos perceptions, vos émotions, vos souvenirs, vos plans pour l'avenir. Mais nous ne savons pas où, puisque nous ne savons pas comment lire le tracé. Nous ne comprenons pas le code utilisé par le cerveau. Pour progresser, nous devons casser le code. Mais comment? Un cryptanalyste expérimenté vous dira que pour comprendre ce que veulent dire les symboles dans un code, il est essentiel de pouvoir jouer avec eux, pour les réarranger à volonté. Ainsi, dans cette situation également, pour décoder les informations contenues dans des tracés comme celui-ci, l'observation seule ne suffit pas; nous devons réarranger le tracé. Autrement dit, au lieu d'enregistrer l'activité des neurones, nous devons la contrôler. Il n'est pas essentiel que nous puissions contrôler l'activité de tous les neurones dans le cerveau, juste certains. Plus nos interventions sont ciblées, mieux c'est. Et je vous montrerai dans un moment comment nous pouvons atteindre la précision nécessaire.

Et puisque je suis réaliste plus que prétentieux, je ne prétends pas que la capacité à contrôler le fonctionnement du système nerveux élucidera immédiatement tous ses mystères. Mais nous apprendrons certainement beaucoup. Maintenant, je ne suis en aucun cas la première personne à réaliser à quel point une intervention d'outil est puissante. L'histoire des tentatives pour remanier la fonction du système nerveux est longue et célèbre. Cela remonte au moins 200 ans en arrière, aux expériences célèbres de Galvani à la fin du 18ème siècle et au-delà. Galvani a montré que les jambes d'une grenouille se contractaient quand il connectait le nerf lombaire à une source de courant électrique. Cette expérience a révélé le premier et peut-être le plus fondamental, élément du code neural : ces informations sont écrites sous la forme d'impulsions électriques. L'approche de Galvani d'explorer le système nerveux avec des électrodes est restée en pointe jusqu'à aujourd'hui, malgré un certain nombre d'inconvénients. Enfoncer des fils dans le cerveau est évidemment plutôt rudimentaire. C'est difficile à réaliser dans des animaux qui courent partout, et il y a une limite physique aux nombres de fils qui peuvent être insérés simultanément.

Ainsi autour du début du dernier siècle, j'ai commencé à penser, ne serait-il pas merveilleux si on pouvait prendre cette logique et la renverser. Ainsi au lieu d'insérer un fil dans un seul endroit du cerveau, reconfigurer le cerveau lui-même pour que certains de ses éléments neuraux deviennent réactifs pour émettre des signaux de façon diffuse, comme un flash de lumière. Une telle approche pourrait littéralement, en un flash de lumière, surmonter beaucoup des obstacles qui s'opposent à sa découverte. Premièrement, c'est clairement une forme de communication sans-fil non-invasive. Et deuxièmement, juste comme un programme radio, vous pouvez communiquer avec beaucoup de récepteurs à la fois. Vous n'avez pas besoin de savoir où ces récepteurs se trouvent. Et, ce n'est pas important si ces récepteurs bougent -- penser juste à la stéréo dans votre voiture. Il y a encore mieux, il s'avère que nous pouvons fabriquer ces récepteurs à partir de matériaux qui sont codés par l'ADN. Ainsi chaque cellule nerveuse avec le bon génome produira spontanément un récepteur qui nous permet de contrôler sa fonction. J'espère que vous apprécierez la belle simplicité de ce concept. Il n'y a aucun gadget de haute technologie ici, juste la biologie révélée par la biologie.

Maintenant regardons ces récepteurs miraculeux en gros plan. Alors que nous agrandissons un de ces neurones violets, nous voyons que sa membrane extérieure est remplie de pores microscopiques. Les pores comme ceux-ci conduisent le courant électrique et sont responsables de toute la communication dans le système nerveux. Mais ici ces pores sont spéciaux. Ils sont couplés à des récepteurs de lumière identiques à ceux dans vos yeux. Chaque fois qu'un flash de lumière frappe le récepteur, le pore s'ouvre et le courant électrique est activé, et le neurone envoie des impulsions électriques. Parce que le pore activé par la lumière est codé dans l'ADN, nous pouvons atteindre une incroyable précision. C'est parce que, bien que chaque cellule dans notre corps contient le même ensemble de gènes, des combinaisons différentes de gènes sont allumées ou éteintes dans différentes cellules. Vous pouvez exploiter ceci pour vous assurer que seulement quelques neurones contiennent notre pore activé par la lumière et d'autres pas. Ainsi dans ce schéma, la cellule blanche bleuâtre dans le coin supérieur-gauche ne répond pas à la lumière car elle est dépourvue du pore activé par la lumière. Cette approche marche si bien que nous pouvons écrire des messages purement artificiels directement au cerveau. Dans cet exemple, chaque impulsion électrique, chaque déviation du tracé, est causée par une brève impulsion de lumière. Et l'approche fonctionne également pour des animaux réagissant et se déplaçant.

C'est la toute première expérience de la sorte, une sorte d'équivalent optique de celle de Galvani. Cela a été fait il y a six ou sept ans par Susana Lima qui était alors mon étudiante en thèse. Susana avait structurée la drosophile sur la gauche pour que juste deux parmi les 200 000 cellules de son cerveau expriment le pore activé par la lumière. Vous êtes familiers avec ces cellules car ce sont celles qui vous frustrent quand vous essayez d'écraser la mouche. Elles ont entraîné le réflexe de fuite qui fait sauter la mouche dans les airs. et s'envoler chaque fois que vous déplacez votre main dans la position. Et vous pouvez voir ici que le flash de lumière a exactement le même effet. L'animal saute, il étend ses ailes, il les fait vibrer, mais en réalité il ne peut pas décoller, parce que la mouche est serrée entre deux plaques de verre. Maintenant, pour s'assurer que ce n'était pas une réaction de la mouche à un flash qu'elle aurait pu voir Susana a réalisé une expérience simple mais brutalement efficace. Elle a coupé les têtes de ses mouches. Ces corps sans tête peuvent vivre environ un jour, mais ils ne font pas grand chose. Ils restent juste dans les parages et se toilettent de façon extensive. Donc il semble que le seul trait qui réchappe de la décapitation soit la vanité. (Rires) De toute façon, comme vous verrez dans un moment, Susana a pu allumer le moteur du vol de ce qui est l'équivalent de la moelle épinière de ces mouches et réussir à avoir certains des corps sans tête vraiment décoller et s'envoler. Ils ne sont pas allés très loin, évidemment. Depuis que nous avons franchis ces premières étapes, le domaine de l'optogénétique a éclaté. Et il y a maintenant des centaines de laboratoires qui utilisent ces approches.

Et nous avons parcouru un long chemin depuis les premiers succès de Galvani et de Susana dans la fabrication d'animaux qui se contractent ou qui sautent. Nous pouvons maintenant vraiment interférer avec leur psychologie de façon plutôt profonde comme je vous le montrerai dans mon dernier exemple, qui vise une question familière. La vie est une série de choix créant une pression constante pour décider de que faire ensuite. Nous faisons face à cette pression en ayant des cerveaux et dans nos cerveaux, des centres de prise de décision que j'ai appelé ici l'Acteur. L'Acteur met en oeuvre une politique qui tient compte de l'état de l'environnement et du contexte dans lequel nous opérons. Nos actions changent l'environnement, ou le contexte, et ces changements sont alors retransmis dans la boucle de décision.

Maintenant pour mettre de la cuisine neurobiologique dans ce modèle abstrait, nous avons construit un monde simple unidimensionnel pour notre sujet préféré, les drosophiles. Chaque chambre dans ces deux piles verticales contient une mouche. Les moitiés gauches et droites de la chambre sont remplies de deux odeurs différentes, et une caméra de surveillance observe pendant que les mouches passent en haut et en bas a travers elles. Voici quelques séquences CCTV. Chaque fois qu'une mouche atteint le milieu de la chambre où les deux courants d'odeur se rencontrent, elle doit prendre une décision. Elle doit décider entre faire demi-tour et rester dans la même odeur, ou traverser la ligne médiane et essayer quelque chose de nouveau. Ces décisions sont clairement le reflet de la politique de l'Acteur. Maintenant pour un être intelligent comme notre mouche, cette politique n'est pas écrite dans la pierre, mais change plutôt à chaque fois que l'animal apprend de l'expérience. Nous pouvons incorporer un tel élément d'intelligence adaptative dans notre modèle en assumant que le cerveau de la mouche contient non seulement un Acteur, mais un groupe différent de cellules, un Critique, qui fournit un commentaire ininterrompu des choix de l'Acteur. Vous pouvez penser à cette voix intérieure lancinante comme une sorte d'équivalent du cerveau de l'Église Catholique, si vous êtes un Autrichien comme moi, ou du surmoi, si vous êtes Freudiens, ou de votre mère, si vous êtes Juifs.

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Maintenant évidemment, la critique est un ingrédient clé dans ce qui nous rend intelligents. Donc nous avons cherché à identifier les cellules dans le cerveau de la mouche qui jouent le rôle du Critique. Et la logique de notre expérience était simple. Nous avons pensé que si nous pouvions utiliser notre télécommande optique pour activer les cellules du Critique, nous devrions pouvoir, artificiellement, harceler l'Acteur pour qu'il change sa politique. Autrement dit, la mouche devrait apprendre des erreurs qu'elle pense avoir faites, mais qu'en réalité elle n'a pas faites. Ainsi, nous avons élevé des mouches dont les cerveaux ont été plus ou moins aléatoirement implémentés avec des cellules qui sont sensibles à la lumière. Et ensuite nous avons pris ces mouches et nous leur avons permis de faire des choix. Et chaque fois qu'elles ont fait un des deux choix, choisir une odeur, dans ce cas, la bleue au lieu de l'orange, nous avons allumé les lumières. Si le critique était parmi les cellules optiquement activées, le résultat de cette intervention devrait être un changement de politique. La mouche devrait apprendre à éviter l'odeur optiquement renforcée.

Voici ce qui est arrivé dans deux cas. Nous comparons deux espèces de mouches, chacune ayant environ 100 cellules sensibles à la lumière dans leurs cerveaux, montrées ici en vert à gauche et à droite. Ce qui est commun parmi ces groupes de cellules c'est qu'ils produisent tous le neurotransmetteur dopamine. Mais les identités des neurones individuels produisant la dopamine sont clairement très différentes à gauche et à droite. Activer optiquement cette centaine de cellules ou presque dans deux espèces de mouches, a des conséquences radicalement différentes. Si vous regardez d'abord le comportement de la mouche sur la droite, vous pouvez voir que chaque fois qu'elle atteint le milieu de la chambre où les deux odeurs se rencontrent, elle marche tout droit à travers comme elle le faisait auparavant. Son comportement est complètement inchangé. Mais le comportement de la mouche à gauche est très différent. Chaque fois qu'elle s'approche du milieu, elle fait une pause, elle parcourt soigneusement l'interface d'odeur, comme si elle flairait son environnement, et ensuite fait demi-tour. Cela signifie que la politique que l'Acteur met en oeuvre inclut désormais une instruction pour éviter l'odeur qui est dans la moitié droite de la chambre. Cela signifie que le Critique s'est exprimé dans cet animal, et que le Critique doit être contenu parmi les neurones produisant la dopamine à gauche, mais pas parmi les neurones produisant la dopamine à droite.

Grâce à beaucoup d'expériences similaires, nous avons pu définir clairement l'identité du Critique à seulement 12 cellules. Ces 12 cellules, comme indiquées ici en vert, elles envoient la production à une structure cérébrale appelé le corps pédonculé, qui est ici en gris. Nous savons de par notre modèle formel que la structure du cerveau à la réception du commentaire du Critique est l'Acteur. Ainsi cette anatomie suggère que les corps pédonculés ont un rapport avec le choix d'action. Basé sur tout ce que nous savons sur les corps pédonculés, c'est parfaitement clair. En fait, c'est si clair, que nous pouvons construire un circuit de jouet électronique qui simule le comportement de la mouche. Dans ce circuit de jouet électronique, les neurones du corps pédonculé sont symbolisés par la banque verticale de LED bleues au centre du plateau. Ces LED sont raccordées à des capteurs qui détectent la présence de molécules odorantes dans l'air. Chaque odeur active une combinaison différente de capteurs, qui à leur tour activent un détecteur d'odeur différent dans le corps pédonculé. Ainsi le pilote dans la cabine de la mouche, l'Acteur, peut dire que l'odeur est présente simplement en regardant laquelle des LED bleues s'allument.

Ce que l'Acteur fait avec ces informations dépend de sa politique, qui est stockée dans les forces de connexion, entre les détecteurs d'odeur et les moteurs qui font fonctionner les actions d'évasion de la mouche. Si la connexion est faible, les moteurs resteront à l'arrêt et la mouche continuera directement sa course. Si la connexion est forte, les moteurs initieront un virage. Considérez maintenant une situation dans laquelle les moteurs restent à l'arrêt, la mouche continue son chemin et subit quelques conséquences douloureuses comme être électrocutée. Dans une situation comme celle-ci, nous nous attendrions à ce que le Critique prenne la parole et dise à l'Acteur de changer sa politique. Nous avons créé une telle situation artificiellement en activant le Critique avec un flash de lumière. Cela a causé un renforcement des connexions entre le détecteur d'odeur actuellement actif et les moteurs. Ainsi la prochaine fois si la mouche est confrontée à la même odeur à nouveau, la connexion sera assez forte pour allumer les moteurs et déclencher une manoeuvre d'évasion.

Je ne sais pas pour vous, mais je le trouve très exaltant de voir comment de vagues notions psychologiques s'évaporent et débouchent sur une compréhension physique, mécanistique de l'esprit, même si c'est l'esprit de la mouche. C'est une très bonne nouvelle. Une autre bonne nouvelle, pour un scientifique du moins, est qu'il en reste autant à découvrir. Dans les expériences dont je vous ai parlé, nous avons levé l'identité du Critique, mais nous n'avons toujours aucune idée de comment le Critique fait son travail. Réfléchir à cela, sachant quand vous avez tort sans qu'un professeur, ou votre mère ne vous le dise, est un problème très difficile. Il y a quelques idées en informatique et dans l'intelligence artificielle sur comment cela pourrait être fait, mais nous n'avons toujours pas résolu un seul exemple de comment le comportement intelligent découle des interactions physiques dans la matière vivante. Je pense que nous y arriverons dans un future proche.

Merci.

(Applaudissements)