Michael Dickinson: Hogyan repülnek a legyek

A Star Treken nőttem fel. Imádom a Star Treket. A Star Trek piszkálta fel bennem a vágyat, hogy idegenekkel találkozzam, idegen lényekkel távoli világokból. Aztán rájöttem, hogy alapjában véve idegen lények itt a Földön is vannak.

Így kezdtem el tanulmányozni a rovarokat. Megszállottja vagyok a rovaroknak, különösen a repülésüknek. Úgy vélem, hogy a rovarrepülés evolúciója az egyik legfontosabb esemény az élet történetében. Rovarok nélkül nem lennének virágos növények. Virágos növények nélkül nem lennének okos, gyümölcsevő főemlősök, akik TED-előadásokat tartanak.

(Nevetés)

Az imént David, Hidehiko és Ketaki lebilincselő történetet adott elő a muslica és az ember közötti hasonlóságról, mert sok a hasonlóság közöttünk, ezért azt gondolhatják, hogy ha az ember hasonlít a muslicához, akkor a muslica egyik kedvenc viselkedési módja lehet például ez -- (Nevetés) de én nem annyira a hasonlóságot kívánom hangsúlyozni előadásomban, mint inkább az ember és a muslica közötti eltéréseket, azokra a viselkedésekre koncentrálva, amelyekben szerintem a muslica nagyot alakít.

Most pedig mutatok önöknek egy nagysebességű videófelvételt, mely infravörös fényben készült egy muslicáról 7000 kocka per másodperc sebességgel; jobbra, a képen kívül, egy elektronikus ragadozó bukkan fel, mely megtámadja a legyet. A muslica érzékeli a ragadozót. Kimereszti a lábait. Elsasszézik, hogy egy nappal tovább éljen, és repülhessen még egy kicsit. A képsorozatot úgy vágtam meg, hogy az időtartama pontosan egyezzen az emberi szem pislantásáéval, vagyis mialatt egyet pislogtak, a légy észrevette a felbukkanó ragadozót, megbecsülte a helyzetét, elkezdett egy mozgássort, hogy elkerülje, másodpercenként 220 alkalommal lebbentve szárnyát. Szerintem ez elképesztő viselkedés, mely megmutatja, milyen gyorsan dolgozza fel a légy agya az információt.

Hát igen, repülés -- mi is kell a repüléshez? Nos, ha olyan repülésre gondolunk, mint az ember által épített repülőgépé, akkor szükség van olyan szárnyakra, amelyek elég nagy aerodinamikai erőket generálnak, kell egy motor is, mely elegendő teljesítményt hoz létre a repüléshez, és kell egy irányítás -- az első, ember által gyártott gépben ez a irányítás lényegében Orville és Wilbur agya volt, akik a pilótafülkében ültek.

Lássuk, hogyan viszonyul ez a légy repüléséhez. Nos, pályafutásom kezdete nagyrészt azzal telt, hogy rájöjjek, hogyan generál egy rovar szárnya annyi erőt ahhoz, hogy megtartsa a levegőben. Mert talán hallottak már arról, hogy mérnöki számítások szerint a poszméh nem lenne képes repülni. Nos, ez abból a feltétevésből adódott, hogy a rovarszárny nyilván úgy működik, ahogy a repülőgépé. Márpedig ez nem így van. A problémát úgy lehet megragadni, hogy építünk egy óriási, dinamikailag méretarányos robotrovarmodellt, amely egy ásványolajjal töltött hatalmas tartályban verdes a szárnyával, hogy ezzel tanulmányozzuk az aerodinamikai erőket. A vizsgálatokból kiderült, hogy a rovarok nagyon cselesen verdesnek a szárnyukkal, s a nagy támadási szög miatt a szárny elülső szélénél egy sajátos struktúra alakul ki, egy tornádószerű struktúra, melyet belépőélörvénynek hívnak, és ez az örvény az, amely tulajdonképpen képessé teszi a szárnyat arra, hogy elég erőt generáljon a rovar levegőben tartásához. Érdekes a szárny morfológiája is, de nem az a leginkább bámulatra méltó. A legérdekesebb az, ahogy a légy verdes vele; ezt a cseles mozgást természetesen végső fokon az idegrendszere szabályozza: ez teszi lehetővé a legyek számára az ilyen figyelemreméltó légi manővereket.

És mi a helyzet a motorral? A muslica motorja aztán csakugyan elképesztő! Kétfajta repülő izmuk van: az úgynevezett teljesítményizom, mely nyúlás-aktivált, ami azt jelenti, hogy önmagát aktiválja, ezért nem igényel szabályozást az idegrendszer részéről minden összehúzódás alkalmával. Ez arra specializálódott, hogy előállítsa a repüléshez szükséges hatalmas teljesítményt -- ez tölti ki a légy testének középső részét, amikor tehát a légy a szélvédőbe csapódik, lényegében a teljesítményizom fröccsen szét rajta. De a szárny tövénél csatlakozik egy csomó apró, szabályozó izom is, amelyek egyáltalán nem erősek, ellenben igen gyorsak, és képesek újrakonfigurálni a szárny csuklóját minden egyes csapás előtt, lehetővé téve a légy számára a szárnybeállás módosítását és ezzel a generált aerodinamikai erők megváltoztatását úgy, ahogy a kívánt repülési pálya megköveteli. És persze az idegrendszer feladata az, hogy mindezt szabályozza.

Lássuk tehát a szabályzót. A legyek különféle szenzorokat vetnek be a szabályozás megoldására. Van csápjuk a szagok és a szélirány érzékelésére. Bonyolult felépítésű összetett szemük a leggyorsabb vizuális eszköz a földkerekségen. A fejük tetején található egy további szemkészlet is. Senki sem tudja, hogy ez mire való. Vannak érzékelők a szárnyukon is. A szárnyukat borító szenzorok egy része a szárny deformációját érzékeli. De a szárnyukkal még ízlelni is tudnak. A legyek egyik legbonyolultabb szenzora a billér nevű struktúra. A billér lényegében giroszkóp. Ez a készülék 200 hertzcel billeg előre-hátra repülés közben, és az állat arra használja, hogy érzékelje a teste elfordulását, és hogy igen-igen gyors pályakorrekciót kezdeményezhessen. De mindezeket a szenzoros információkat fel kell dolgoznia egy agynak, és igen, a legyeknek agyuk is van, mely körülbelül 100 000 neuronból áll.

A konferencián többen is felvetették, hogy a muslicák hasznára lehetnének az idegkutatásnak, mert egyszerű modellként szolgálhatnának az agyfunkciók tanulmányozásához. Előadásom fő poénjaként szeretném feje tetejére állítani ezt a vélekedést. Nem hinném, hogy egy légy bármi számára egyszerű modell volna. Másrészt a légy nagyszerű modell. Jól modellezhetők vele a legyek. (Nevetés)

És most elemezzük az egyszerűség kérdését. Sajnos, azt hiszem, mi, idegkutatók, legalábbis sokan közülünk, eléggé önimádók vagyunk. Amikor az agyra gondolunk, természetesen a saját agyunkat képzeljük magunk elé. De ne feledjük, hogy a legyekéhez hasonló agy, mely a mienknél sokkalta kisebb -- 100 milliárd neuron helyett csak 100 ezerből áll -- a leggyakoribb agytípus a földön, és már 400 millió éve létezik. És csakugyan jogos egyszerűnek mondani? Nos, csakugyan egyszerű abban az értelemben, hogy kevesebb neuronból áll. De vajon korrekt ez a mérce? Én azt mondanám, hogy nem az. Mert gondoljunk csak egy kicsit bele. Szerintem -- (Nevetés) -- az agy méretét azzal kell összevetni, hogy mire képes az az agy. Tehát vezessük be a Trump-számot, mely ennek a férfiúnak a viselkedési repertoárja osztva az agyában lévő neuronok számával. Most pedig számítsuk ki a muslica Trump-számát. Nos, hányan tippelnek arra, hogy a muslica Trump-száma a magasabb?

(Taps)

Látom, intelligens hallgatóság gyűlt egybe. Valóban, az egyenlőtlenség ebbe az irányba mutat.

Elismerem, kissé abszurd egy ember viselkedési repertoárját egy légyéhez hasonlítani. Vegyünk hát egy másik állatot példa gyanánt. Íme egy egér. Az egérnek 1000-szer annyi neuronja van, mint a légynek. Régebben egereket tanulmányoztam. Akkoriban még szép lassan beszéltem. Amikor áttértem a legyekre, valami történhetett velem. (Nevetés) És azt hiszem, ha összehasonlítják a legyek és az egerek természetrajzát, egyezéseket fognak találni. Mindkettő élelem után kutat. Mindkettő udvarlást folytat. Szex is van mindkettőnél. Elrejtőznek a ragadozók elől. Egy csomó hasonló dolgot csinálnak. De állítom, hogy a legyek többet tudnak. Példaként bemutatok egy képsort, hozzátéve, hogy a kutatási támogatást részben a seregtől kapom, tehát bemutatom ezt a titkosított képsort, amiről nem beszélhetnek senkivel e falakon kívül. Rendben? Figyeljék meg azt a szállítmányt, mely a muslica farkánál látható. Nézzék meg jól, és megértik, mért is akar a hatéves fiam idegkutató lenni. Várni kell picit. Pssú. Azt mindenképp el kell ismerniük, hogy ha a muslica nincs is olyan okos, mint egy egér, annyi esze azért van, mint egy galambnak. (Nevetés)

Tehát oda akarok kilyukadni, hogy nemcsak a mennyiség érdekes, hanem az a kihívás is, amit a légy agyának jelent, hogy ilyen parányi neuronokkal dolgozza fel az összes információt. Itt ez a gyönyörű felvétel egy egér vizuális asszociációs neuronjáról Jeff Lichtman laboratóriumából, és láthatták a csodálatos agyfelvételeket is, melyeket az előadásában mutatott. És itt a felső sarokban, jobbra, láthatják a légy vizuális asszociációs neuronját is ugyanabban a nagyításban. Nagyítsuk fel jobban. Gyönyörű, összetett neuron. Csakhogy igen-ige aprócska, és hatalmas biofizikai kihívást jelent az információfeldolgozás ilyen icipici neuronokkal.

Milyen kicsi lehet egy neuron egyáltalán? Nézzük ezt az érdekes rovart. Légyfélének látszik [de darázs]. Van szárnya, van szeme, van csápja, van lába, bonyolult élettörténete, egy parazita, melynek röpdösnie kell, hogy találjon magának egy hernyót melyen élősködhet, de nemcsak az agya porszemnyi, ami összemérhető a muslicáéval, ő maga is porszemnyi. Mutatok két hasonló méretű organizmust. Ez a rovar akkora, mint a papucsállatka vagy az amőba, és az agya 7000 neuronból áll, melyek olyan kicsik -- talán hallottak már a sejttestről: ez az a dolog, amelyben a neuron magja található. Nos, ez a rovar megszabadult ezektől, mert túl sok helyet foglalnak el. Ez az ülés az idegtudomány határairól szól. Állítom, hogy az idegtudomány egyik határát annak kiderítése jelenti, hogyan működik az agya ennek a jószágnak.

Gondolkodjunk egy csöppet. Mitől lehet képes kis számú neuron egy nagy feladat elvégzésére? Azt hiszem, a mérnöki zsargon ezt hívja multiplexelésnek. Fogsz egy hardvert, és más-más alkalommal más-más feladatot végeztetsz el vele, vagy a hardver különböző részeivel más-mást csináltatsz. Ez az a két koncepció, amelyet vizsgálni szeretnék. Ezeket az elgondolásokat nem én találtam ki: mások vetették fel őket már régebben.

Az egyik ötletem a rákrágás megfigyeléséből adódik. És itt nem a rák megrágására gondolok. Mellesleg, Baltimore-ban cseperedtem fel, és mindig nagyon jól megrágtam a rákot. Arról beszélek, ahogy a rákok maguk rágicsálnak. A rák rágása igazán lenyűgöző dolog. A rákoknak van egy komplikált szerkezet a páncéljuk alatt, afféle "gyomormalom": ez a csőszerű dolog a táplálék aprítására szolgál. Íme egy endoszkópos felvétel a működéséről. Az a legelképesztőbb, hogy a működését egészen kevés, kb. két tucat neuron vezérli, melyek rengetegféle motorikus mintázatot képesek létrehozni, amit az tesz lehetővé, hogy ez az icipici idegdúc tele van mindenféle neuromodulátorral. A korábbi előadásokban szó volt ezekről az anyagokról. Többféle neuromodulátor van bennük, mint ahány neuronból állnak: ezek változtatják meg, stimulálják ezt a szerkezetet, miáltal bonyolult mintázatok sokasága jöhet létre. Ezt a kutatást Eve Marder és számos munkatársa végezte, akik ezen az elképesztő rendszeren, megmutatták, hogy egy kis neuroncsoport milyen sokféle dologra képes annak köszönhetően, hogy a neuromoduláció pillanatról pillanatra képes változni. Tehát itt lényegében multiplexelést láttunk az időben. Képzeljünk el egy neuronhálózatot egyetlen neuromodulátorral. Kiválasztunk valahány sejtet egy bizonyos viselkedés végrehajtására, aztán egy másik neuromodulátorhoz másik sejteket rendelünk, más mintázattal, és el lehet képzelni, extrapolálni lehet, milyen nagyon bonyolult rendszer jön ki a végén.

Van rá bizonyíték, hogy a legyeknél is ez van? Nos, az én laboratóriumomban és máshol is világszerte, sok éven át folytak kísérletek kis repülésszimulátorokkal a legyek viselkedésének tanulmányozására. Odapányváz az ember egy legyet egy kis pálcához. Meg lehet mérni a légy által létrehozott aerodinamikai erőket. A légy egy kis videójátékra is rábírható, csak hagyni kell repülni egy vizuális környezetben. Meg is mutatok egy ilyen képsorozatot. Itt egy légy és itt a légy képe infravörös fényben a repülésszimulátorban -- a legyek imádják ezt a játékot. Az ember hagyja, hogy a kis csík felé manőverezzenek, és vég nélkül manővereznek a csík felé. Ez része a vizuális irányítási rendszerüknek. De legújabban lehetővé vált, hogy ezeket a viselkedési arénákat fiziológiai célra is felhasználhassuk. Itt van például ez az elrendezés, melyet egyik korábbi posztdoktorom, Gaby Maimon fejlesztett ki, aki most a Rockefellernél dolgozik. Ez lényegében egy repülésszimulátor, de úgy van kitalálva, hogy be lehet dugni egy elektródot a légy agyába, hogy mérni lehessen azokat a jeleket, melyek a légy agyának egy genetikailag azonosított neuronjától származnak. És így néz ki egy ilyen kísérlet. A képsorozatot egy másik posztdoktor készítette a laborban: Bettina Schnell. Alul, a zöld grafikon a légy agyában kiszemelt neuron membránpotenciálját mutatja. Láthatjuk, hogy a légy repülni kezd, és azt is, hogy tulajdonképpen maga irányítja a vizuális mintázat elfordulását a szárnymozgásával, és látszik az is, hogy ez a vizuális asszociációs neuron reagál a repülő légy szárnymozgására. Elsőként voltunk képesek ténylegesen regisztrálni egy légy agyában lévő neuronok jelét, miközben a rovar olyan bonyolult viselkedést mutatott, mint a repülés. Az egyik fontos dolog, amit ebből megtanultunk az, hogy azoknak a sejteknek a fiziológiája, melyeket éveken át tanulmányoztunk nyugalomban lévő legyekkel, nem ugyanaz, mint amikor ugyanazon sejtek fiziológiáját olyan aktív tevékenységet folytató legyekben nézzük, mint a repülés, mászkálás és ehhez hasonlók. És miért lesz más a fiziológia? Nos, kiderült, hogy a magyarázatot ugyanazok a neuromodulátorok adják, amelyekről a tarisznyarák parányi idegdúcaival kapcsolatban beszéltem. Íme, itt egy ábra az oktopamin rendszerről. Az oktopamin olyan neuromodulátor, amely a jelek szerint fontos szerepet játszik a repülésben és más viselkedésekben. De ez csupán egyike a számos neuromodulátornak, mely a légy agyában található. Az a gyanúm, hogy ha több ismeretet szerzünk majd, ki fog derülni, hogy a légy egész agya olyan, mintha az említett sztomatogasztrikus ganglion nagyobb változata lenne, és ez az egyik oka annak, hogy olyan kevés neuronnal olyan sokra képes.

És itt egy másik trükk, egy másik módja a multiplexelésnek, multiplexelés a térben, amikor egy neuron különböző részei mást-mást csinálnak ugyanabban az időpontban. Íme két közönséges neuron, az egyik egy gerincesből, a másik egy gerinctelenből, egy emberi piramidális neuron rajza Ramon y Cajaltól, és egy másik, jobbra, egy impulzus nélküli asszociációs neuronról Alan Watson és Malcolm Burrows több évvel ezelőtti munkájából, melyben Malcolm Burrows egy meglehetősen érdekes ötlettel állt elő, ami azon a tényen alapult, hogy ez a sáskában található neuron nem produkál csúcsot az akciós potenciál görbéjén. Más szóval, ez egy impulzus nélküli sejt. Egy tipikus [ideg]sejtnek, mint az agyunkban lévő neuronok, van egy dendriteknek nevezett része, amelybe bemeneti jelek érkeznek, melyek összegződve akciós potenciált hoznak létre, és ez az impulzus végigfut az axonon, és aktiválja a neuron összes jelkimenetét. Az impulzus nélküli neuron eléggé bonyolult: lehetnek neki bemenő szinapszisai és kimenő szinapszisai is, az egész keresztbe-kasul kötve, meghatározott akciós potenciál nélkül, mely egyszerre vezérelné az összes kimenetet. Elképzelhető tehát, hogy léteznek olyan jelfeldolgozó rekeszek, blokkok, amelyek lehetővé teszik, hogy a neuron különböző részei mást-mást csináljanak egyidejűleg.

Amiről tehát itt szó van, az multitaszking (többfeladatosság) térben. Úgy vélem, hogy ezek az emberi agyra is érvényesek, de a technika igazi mesterei mégiscsak a rovarok. Remélem tehát, hogy legközelebb egy kicsit másképp gondolnak a rovarokra, és ahogy a transzparensen kérem, kétszer is meggondolják, mielőtt lecsapnak egyet.

(Taps)