מיכאל דיקינסון: איך זבוב עף

גדלתי על צפייה ב"מלחמת הכוכבים". אני אוהב את "מלחמת הכוכבים". "מלחמת הכוכבים" גרמה לי לרצות לראות יצורים חייזריים, יצורים מעולם הרחק מכאן. אבל בעיקרון, מצאתי שיכולתי למצוא יצורים חייזרים ממש על כדור הארץ.

ומה שאני עושה, אני לומד על חרקים. אני אובססיבי לחרקים, במיוחד טיסת חרקים. אני חושב שהאבולוציה של טיסת חרקים היא אולי אחד האירועים החשובים ביותר בהיסטוריה של החיים. ללא חרקים, לא יהיו צמחים בעלי פרחים. בלי צמחים בעלי פרחים, לא יהיו פרימטים חכמים אוכלי פירות שמעבירים שיחות בTED.

(צחוק)

עכשיו, דוד, והידיקיו וקטאקי סיפרו סיפור מאוד משכנע אודות הדמיון בין זבובי פירות לבני אדם, ויש קווי דמיון רבים, וכך אתם עשויים לחשוב שאם בני אדם דומים לזבובי פירות, הפעולה האהוב של זבוב פירות עשוי להיות זו, לדוגמה- (צחוק) אך בשיחה שלי, איני רוצה להדגיש את קווי הדמיון בין בני אדם לזבובי פירות, אלא דווקא את ההבדלים, ולהתמקד על ההתנהגויות שאני חושב שזבובי הפירות מצטיינים בהן.

אז אני רוצה להראות לכם רצף וידאו מהיר של צילום זבוב ב 7,000 מסגרות לשנייה בתאורת אינפרא-אדום, מימין, מחוץ למסך, זהו טורף מאיים אלקטרוני שעומד לתקוף את הזבוב. הזבוב עומד לחוש את הטורף הזה. הוא הולך למתוח את הרגליים שלו החוצה. הוא הולך להחליק משם לחיות כדי לעוף עוד יום. עכשיו אני חתכתי בזהירות את הרצף הזה כדי שיהיה בדיוק כמשך זמן של מצמוץ העין האנושית, כך שבזמן שייקח לכם להניד עפעף, הזבוב ראה את הטורף המאיים הזה, העריך את מיקומו, יזם דגם מוטורי כדי להטיס אותו משם, להכות בכנפיו במהירות של 220 פעמים בשניה כשהוא עושה זאת. אני חושב שזו התנהגות מרתקת שמראה כמה מהר מוחו של הזבוב יכול לעבד מידע.

כעת, טיסה--מה נדרש כדי לעוף? ובכן, כדי לעוף, בדיוק כמו במטוס, צריך כנפיים שיכולות לייצר מספיק כוחות אווירודינמיים, צריך מנוע שיספיק לייצר את ההספק הדרוש לטיסה, ואתה צריך בקר, ובמטוסים הראשון, הבקר היה בעצם מוחם של אורוויל וויילבור שיושבים בתא הטייס.

כעת, כיצד ניתן להשוות זאת לזבוב? ובכן, ביליתי הרבה זמן בתחילת הקריירה שלי, בנסיון להבין איך כנפי חרקים מפיקןת מספיק כוח כדי להחזיק את הזבובים באוויר. ואולי שמעתם כיצד מהנדסים הוכיחו שדבורי הבומבוס לא יכלו לטוס. ובכן, הבעיה היתה בחשיבה שכנפי החרק מתפקדות כמו כנפי מטוסים. אבל הן לא. ואנו מתמודדים עם בעיה זו על-ידי בניית דגמי חרקים רובוטיים ענקיים, בעלי קנה מידה משתנה באופן דינמי שידשדשו בבריכות ענק של שמן מינרלי מקום שבו נוכל ללמוד את הכוחות האווירודינמיים. ומסתבר כי חרקים טופחים בכנפיהם באופן חכם מאוד, בזווית התקפה גבוהה מאוד שיוצרת מבנה בחוד החנית של הכנף, מבנה קצת דמוי טורנדו שנקרא מובילי מערבולת קצה, וזו המערבולת שמאפשרת למעשה לכנפיים להפיק מספיק כוח שמאפשר לבעל החיים להישאר באוויר. אבל הדבר שלמעשה בעיקר – אז, מה שמרתק הוא לא כל כך שלכנף יש איזושהי מורפולוגיה מעניינת. מה שחכם הוא האופן שבו הזבוב מנפנף בכנפיים מה שכמובן בסופו של דבר הוא נשלט על ידי מערכת העצבים, וזה מה שמאפשר לזבובים לבצע תמרונים אוויריים מדהימים אלה .

עכשיו, מה לגבי המנוע? המנוע של הזבוב הוא בהחלט מרתק. יש להם שני סוגים של שרירי טיסה: מה שנקרא כוח השריר, אשר מופעל על-ידי מתיחה, כלומר הוא מפעיל את עצמו ואינו צריך להיות נשלט על בסיס התכווצות אחר התכווצות על ידי מערכת העצבים. הוא התמחה לייצר כוח עצום הדרוש עבור טיסה, וממלא את חלקו האמצעי של הזבוב, כך שכאשר זבוב פוגע בשמשה הקדמית שלך, זהו בעצם כוח השריר שבו אתה מביט. אבל מחוברת לבסיס הכנף יש ערכה של שרירי שליטה קטנים, זעירים, שאינם חזקים מאוד בכלל, אבל הם מאוד מהירים, והם מסוגלים להגדיר מחדש את מפרק הכנף על בסיס מכה אחר מכה, וזה מה מאפשר לזבוב לשנות הכנף שלו וליצור את השינויים בכוחות האווירודינמיים מה שמשנה את מסלול הטיסה שלו. וכמובן, תפקיד מערכת העצבים היא לפקח על כל זה.

אז בואו ונסתכל בבקר. כעת זבובים מצטיינים בסוגי חיישנים שהם נושאים לצורך בעיה זו. יש להם אנטנה שחשה ריחות, ומבחינה באיתור הרוח. יש להם עין מתוחכמת שהיא מערכת הראייה המהירה ביותר על פני כדור הארץ. יש להם מערכת אחרת של עיניים בקצה הראש שלהם. שאין לנו מושג מה הן עושות. יש להם חיישנים על הכנף שלהם. הכנף שלהם מכוסה בחיישנים, כולל חיישנים שחשים עיוות של הכנף. הם יכולים גם לטעום עם כנפיהם. אחד החיישנים המתוחכמים ביותר שיש לזבוב הוא מבנה שנקרא משקולות. המשקולות הן למעשה ג'ירוסקופים. התקנים אלה מכים הלוך ושוב בתדר של כ- 200 הרץ במהלך הטיסה, והחיה יכולה להשתמש בהם כדי לחוש את רוטצית הגוף שלה וליזום תמרונים מתקנים מהירים מאוד. אבל את כל המידע החושי הזה יש לעבד על-ידי המוח, ועל כן, אכן, לזבובים יש מוח, מוח של כ-100,000 נוירונים .

כעת מספר אנשים בכנס הזה כבר הציעו שזבובי פירות יכולים לשמש במדעי המוח מאחר שהם מודל פשוט של תפקוד המוח. ושורת המחץ הבסיסית של השיחה שלי היא, הייתי רוצה להפוך זאת על הראש אני לא חושב שהם מודל פשוט של משהו. ואני חושב שזבובים הם דגם מצוין. הם דגם מצוין לזבובים. (צחוק)

והבה ונחקור את המושג הזה של פשטות. אז אני חושב, למרבה הצער, הרבה מדעני-מוח אנחנו כולנו קצת נרקיסיסטים. כאשר אנחנו חושבים על המוח, אנחנו כמובן מדמיינים את המוח שלנו. אך יש לזכור כי סוג זה של מוח, שהוא הרבה, הרבה יותר קטן — במקום 100 מיליארד נוירונים, יש לו 100,000 נוירונים — אבל זה הצורה הנפוצה ביותר של מוח על פני כדור הארץ כבר מזה 400 מיליון שנים. והאם זה הוגן לומר שזה פשוט? ובכן, זה פשוט במובן שיש בו פחות נוירונים , אבל האם זה מדד הוגן? והייתי מציע שהוא לא מדד הוגן. אז בואו ונחשוב על זה איכשהו. אני חושב שעלינו להשוות- (צחוק) — אנחנו צריכים להשוות את הגודל של המוח עם מה שהמוח יכול לעשות. אז אני מציע שיש לנו מספר טראמפ, ומספר טראמפ הוא היחס של הרפרטואר ההתנהגותי של האיש למספר הנוירונים במוח שלו. אנחנו נחשב את מספר טראמפ של זבוב הפירות. עכשיו, כמה אנשים כאן חושבים שמספר טראמפ הוא גבוה יותר עבור זבוב הפירות?

(מחיאות כפיים)

זהו קהל חכם מאוד, חכם. כן, אי-השוויון הולך בכיוון זה, או שאניח אותו.

עכשיו אני מבין שזה קצת מגוחך להשוות את הרפרטואר התנהגותי של אדם לזבוב. אך בואו וניקח חיה אחרת רק כדוגמה. הנה עכבר. לעכבר יש בערך פי 1,000 יותר נוירונים מאשר לזבוב. נהגתי לחקור עכברים. כאשר למדתי על עכברים, נהגתי לדבר ממש לאט. ולאחר מכן משהו קרה כשהתחלתי לעבוד על זבובים. (צחוק) ואני חושב שאם משווים את ההסטוריה הטבעית של זבובים ועכברים היא באמת ברת השוואה. הם צריכים לתור אחר מזון. הם צריכים לחזר אחר בני זוג. הם עושים סקס. הם מתחבאים מטורפים. הם עושים הרבה דברים דומים. אבל אני אטען שזבובים עושים יותר. כך למשל, אני עומד להראות לכם רצף, ועלי לומר, שחלק מהמימון שלי מגיע מהצבא, אז אני מציג רצף מסווג זה ואינכם יכולים לדון בו מחוץ לחדר זה. טוב? אז אני רוצה להסתכל על המטען שבזנב של זבוב הפירות. צפו בזה בתשומת לב, ותראו למה הבן שלי בן השש, עכשיו רוצה להיות מדען מוח. המתינו. פשיו. אז לפחות תודו שזבובי פירות אינם חכמים כמו עכברים הם לפחות חכמים כמו יונים. (צחוק)

עכשיו, אני רוצה להסביר שזה לא רק עניין של מספרים אבל גם האתגר עבור הזבוב לחשב את כל מה שמוחו צריך לחשב עם נוירונים זעירים כאלה. אז זוהי תמונה יפה של נוירון מהאזור החזותי של עכבר שבא ממעבדת ג'ף ליכטמן, אתם יכולים לראות את התמונות הנהדרות של מוחות שהוא הראה בשיחה שלו. אך למעלה בפינה, בפינה הימנית, תראו, באותו קנה מידה, נוירון מהאזור החזותי של זבוב. וארחיב זאת. וזה נוירון מורכב להפליא. הוא פשוט מאוד מאוד זעיר, ויש המון אתגרים ביופיזיקליים בנסיון לחשב מידע עם נוירונים קטנים, קטנטנים.

עד כמה קטנים יכולים נוירונים להיות? ובכן, הביטו זה חרק מעניין. הוא נראה בערך כמו זבוב. יש לו כנפיים, יש לו עיניים, יש לו משושים, הרגליים שלו, סיפור חיים מסובך, זהו טפיל, עליו לעוף ולמצוא תולעים שישמשו לו כפונדקאים, אבל לא רק שמוחו שלו הוא בגודל של גרגר מלח, בדומה לזבוב פירות, הוא בגודל של גרגר מלח. אז הנה כמה אורגניזמים אחרים בקנה מידה דומה. בעל חיים זה הוא בגודל של סנדלית ושל אמבה, ויש לו מוח של 7,000 נוירונים שהוא כל כך קטן- אתם מכירים דברים אלה שנקראים גופי תא שמעתם עליהם היכן שנמצא הגרעין של הנוירון? בעל חיים זה נפטר מהם משום שהם תופסים מקום רב מדי. אז זהו מפגש שמדבר על חזיתות בחקר המוח. אני מציג עמדה שטוענת שחזית אחת בחקר המוח היא להבין איך עובד המוח של הדבר הזה.

אבל בואו ונחשוב על זה. כיצד ניתן לגרום למספר קטן של נוירונים לעשות הרבה? ואני חושב, מנקודת מבט הנדסית, אתם חושבים על ריבוב. ניתן לקחת חומרה, ולגרום לחומרה זו לעשות דברים שונים בזמנים שונים, או לגרום לחלקים שונים של החומרה לעשות דברים שונים. ואלה שני מושגים שאני רוצה לחקור. והם אינם מושגים שהמצאתי, אלא מושגים שהוצעו על-ידי אחרים בעבר.

ורעיון אחד מגיע מנסיון של לעיסת סרטנים. ואני לא מתכוון ללעיסה של סרטנים. גדלתי בבולטימור, ואני לועס סרטנים מאוד,טוב מאוד. אבל אני מדבר על סרטנים שמבצעים את פעולת הלעיסה. לעיסת סרטנים היא למעשה באמת מרתקת. לסרטנים יש מבנה מורכב זה תחת השריון שלהם שנקרא מטחנה קיבתית שטוחנת את המזון במגוון דרכים שונות. והנה סרט אנדוסקופי של מבנה זה. הדבר המדהים לגבי זה הוא שהוא נשלט על-ידי קבוצה של נוירונים ממש זעירים , כעשרים וארבעה נוירונים שיכולים לייצר מגוון עצום של דפוסים מוטוריים שונים, והסיבה לכך שהיא יכולה לעשות את זה היא שצביר זעיר זה בסרטן למעשה מוצף על-ידי אפנני נוירונים רבים. שמעתם על אפנני נוירונים קודם לכן. יש יותר אפנני נוירונים שמשנים, שמעצבבים מבנה זה מאשר למעשה נוירונים במבנה, והם מסוגלים להפיק מערכת מסובכת של תבניות. וזוהי העבודה של איב מרדר ועמיתיה הרבים שכבר למדו את המערכת המרתקת הזו שמראה כיצד אשכול קטן יותר של נוירונים יכול לעשות הרבה, הרבה, הרבה דברים בגלל אפנני נוירונים שיכולים לקרות על בסיס של רגע לרגע. אז זה הוא בעצם ריבוב בזמן. תארו לעצמכם רשת נוירונים עם אפנן נוירוני אחד. אתם בוחרים מערכת אחת של תאים כדי לבצע סוג אחד של התנהגות, מאפנן עצב אחר, קבוצה אחרת של תאים, תבנית אחרת, ואתם יכולים לדמיין אתם יכולים לגדל מערכת מאד,מאד מסובכת..

האם יש ראיות שזבובים עושים את זה? ובכן, במשך שנים רבות במעבדה שלי ובמעבדות אחרות ברחבי העולם, אנחנו עוסקים בלמידת התנהגויות בסימולטורים תעופתיים קטנים. ניתן לרתום זבוב למקל קטן. ניתן למדוד את הכוחות האווירודינמיים שהוא יוצר. ניתן לתת לזבוב לשחק משחק וידאו קטן על-ידי כך שמאפשרים לו לעוף בתצוגה חזותית. אז הרשו לי להראות לכם רצף קטן זעיר של זה. הנה זבוב ומראה אינפרא-אדום גדול של הזבוב בסימולטור טיסה, וזה משחק שהזבובים אוהבים לשחק. מאפשרים להם לנווט לכיוון פס קטן, הם פשוט ינווטו לכיוון הרצועה הזו לנצח. זה חלק ממערכת ההנחיה החזותית שלהם. אבל מאוד מאוד לאחרונה, התאפשר לשנות מיני זירות התנהגותיות אלו לפיסיולוגיות. אז זוהי ההכנה של אחד הפוסט-דוקטורט הקודמים שלי, גבי מימון, שנמצא כעת ברוקפלר, פיתח, וזה למעשה סימולטור טיסה אבל בתנאים שניתן למעשה לשתול אלקטרודה במוח הזבוב ולהקליט על פי נוירון שמזוהה גנטית במוחו של הזבוב. וכך נראה אחד מהניסויים האלה. זה היה רצף שנלקח מפוסט-דוקטורט אחר במעבדה, בטינה שנל. המעקב הירוק בתחתית הוא פוטנציאל הממברנה של נוירון במוח של הזבוב, ותראו שהזבוב מתחיל לעוף, והזבוב למעשה שולט בסיבוב של התבנית החזותית עצמה על-ידי תנועת הכנף שלו, ואתם יכולים לראות את תא הנוירון המתווך החזותי הזה מגיב לתבנית של תנועת הכנף כשהזבוב עף. אז בפעם הראשונה אנו למעשה כבר היינו מסוגלים להקליט מנוירונים במוח של הזבוב בעודו מבצע התנהגויות מתוחכמות כמו טיסה. אחד הלקחים שכבר למדנו הוא שהפיזיולוגיה של התאים שכבר למדנו במשך שנים רבות בזבובים במנוחה אינו זהה לפיזיולוגיה של תאים אלה כאשר הזבובים למעשה עסוקים בהתנהגויות פעילות כמו טיסה והליכה, וכן הלאה. ומהי הסיבה שהפיזיולוגיה שונה? ובכן מסתבר שאלה הם אפנני הנוירונים בדיוק כמו אפנני העצבים בצביר הזעיר שבסרטנים. אז הנה תמונה של מערכת האוקטופמין. אוקטופמין הוא אפנן נוירוני שנראה שהוא משחק תפקיד חשוב בטיסה ובהתנהגויות אחרות. אבל זה רק אחד מתוך אפנני נוירון רבים שבמוחו של הזבוב. אז אני באמת חושב, שככל שאנו לומדים יותר, ילך ויתברר שכל המוח של הזבוב הוא בדיוק כמו גרסה גדולה של צביר סטומטוגסטרי זה, וזו אחת הסיבות מדוע הוא יכול לעשות כל כך הרבה עם כל כך מעט נוירונים.

עכשיו, עוד רעיון, דרך נוספת לריבוב היא ריבוב בחלל, שיש בו חלקים שונים של נוירון לעשות דברים שונים באותו זמן. אז הנה סוג של שני נוירונים קאנוניים של בעלי חוליות, ושל חסרי חוליות, נוירון פירמידלי אנושי מרמון וקז'אל, ותא אחר מימין, תא עצב מתווך בלתי ממסמר וזוהי העבודה של ווטסון אלן ומלקולם בורווז מלפני שנים רבות, ומלקולם בורוז בא עם רעיון מעניין למדי שהתבסס על העובדה שנוירון זה של ארבה אינו מצית פוטנציאל פעולה. זהו תא בלתי ממסמר. אז לתא אופייני, כמו הנוירונים במוחנו, יש אזור שנקרא הדנדריטים שמקבל קלט, וקלט זה מסכם יחד וייצר פוטנציאלי פעולה שרצים מטה באקסון ולאחר מכן מפעילים את כל אזורי הפלט של הנוירון. אבל נוירונים בלתי ממוסמרים הינם למעשה מסובכים למדי כי יכולים להיות להם סינפסות קלט או סינפסות פלט כולם משולבים ואין פוטנציאל של פעולה בודדת שמוביל את כל כל תוצרי הפלט באותו זמן. אז יש אפשרות שיש לכם תאים חישוביים שמאפשרים לחלקים השונים של הנוירון לעשות דברים שונים באותו זמן.

אז מושגי יסוד אלה של ריבוי משימות בזמן וריבוי משימות בחלל, לדעתי אלה הם דברים שהם נכונים גם במוחנו, אבל אני חושב שהחרקים הם המאסטרים האמיתיים של זה. אז אני מקווה שתחשבו מעט אחרת על חרקים בעתיד, וכפי שאמרתי כאן למעלה, בבקשה חישבו לפני שאתם חובטים בהם.

(מחיאות כפיים)