Gero Miesenboeck herontwerpt een brein

Ik heb een dubbelganger. (Gelach) Dr. Gero is een brilliante maar licht gestoorde wetenschapper in de Dragonball Z "Android Saga." Als je goed kijkt, zie je dat zijn hersenpan vervangen werd door een transparante plexiglazen koepel zodat de werking van zijn brein geobserveerd kan worden en ook met licht bestuurd kan worden. Dat is exact wat ik doe -- optische controle van de geest.

(Gelach)

Maar in tegenstelling tot mijn kwaadaardige tweelingbroer, die uit is op wereldoverheersing, zijn mijn motieven niet duister. Ik controleer het brein om te begrijpen hoe het werkt. Wacht even, zou je kunnen zeggen, hoe kan je meteen het brein controleren zonder het eerst te begrijpen? Is dat niet het paard achter de wagen spannen? Veel neurowetenschappers zijn het daarmee eens en denken dat het begrip zal komen uit meer gedetailleerde observatie en analyse. Ze zeggen, "Als we de activiteit van onze neuronen konden opnemen, zouden we het brein begrijpen." Maar bedenk even wat dat betekent. Zelfs al konden we meten wat elke cel doet op elk moment, dan zouden we nog wijs moeten worden uit alle opgenomen activiteitspatronen, en dat is zo moeilijk, dat de kans groot is dat we de patronen evenmin begrijpen als de hersenen die ze produceren.

Kijk hier hoe hersenactiviteit eruit zou kunnen zien. In deze simulatie stelt elk zwart punt een zenuwcel voor. Het punt is zichtbaar wanneer een cel een elektrische impuls afvuurt. Er zijn hier 10.000 neuronen. Dus je kijkt naar ruwweg één percent van het brein van een kakkerlak. Jouw hersenen zijn ongeveer 100 miljoen keer ingewikkelder. Ergens in een patroon zoals dit, ben jij, jouw waarnemingen, jouw emoties, jouw herinneringen, jouw plannen voor de toekomst. Maar we weten niet waar, omdat we het patroon niet kunnen lezen. We begrijpen de code van het brein niet. Om vooruitgang te boeken, moeten we de code breken. Maar hoe? Een ervaren code-breker zal je vertellen dat om te ontdekken wat de symbolen in een code betekenen, het essentieel is om ermee te kunnen spelen, ze te herschikken naar believen. Dus ook in dit geval, om de informatie te decoderen die vervat zit in patronen zoals deze, zal enkel toekijken niet volstaan; we moeten het patroon herschikken. In andere woorden, in plaats van de activiteit van neuronen op te nemen, moeten we ze besturen. Het is niet essentieel dat we de activiteit van alle neuronen in het brein kunnen besturen, slechts enkele. Hoe meer gericht onze ingrepen, hoe beter. En ik laat zo zien hoe we de benodigde precisie kunnen bereiken.

En omdat ik realistisch ben, eerder dan hoogmoedig, beweer ik niet dat de mogelijkheid om de werking van het zenuwstelsel te besturen meteen alle mysteries zal prijsgeven. Maar we zullen zeker veel leren. Nu, ik ben in geen geval de eerste persoon die beseft wat een krachtig werktuig interventie is. De geschiedenis van pogingen om met de werking van het zenuwstelsel te prutsen is lang en illuster. Ze gaat minstens 200 jaar terug, naar de beroemde experimenten van Galvani in de late 18de eeuw en later. Galvani toonde aan dat de poten van een kikker samentrokken wanneer hij de lumbale zenuw verbond met een elektrische stroombron. Dit experiment onthulde het eerste, en misschien ook meest fundamentele stukje van de neurale code: informatie is geschreven in de form van elektrische impulsen. Galvani's benadering om het zenuwstelsel binnen te dringen met elektroden is state-of-the-art gebleven tot vandaag, met uitzondering van een aantal nadelen. Draden in het brein steken is duidelijk nogal ruw. Het is zeer moeilijk om te doen bij rondlopende dieren, en er is een fysische limiet voor het aantal draden die tegelijkertijd kunnen ingebracht worden.

Dus rond de vorige eeuwwisseling, begon ik te denken, zou het niet prachtig zijn als iemand deze logica nam en ze ondersteboven draaide. Dus in plaats van een draad in te brengen in één plek van het brein, herontwerp het brein zelf zodat sommige van de neurale elementen gevoelig worden aan diffuus uitgezonden signalen, zoals een lichtflits. Een dergelijke aanpak zou letterlijk, in een lichtflits, vele van de obstakels tot de ontdekking overwinnen. Ten eerste, het is duidelijk een niet-invasieve, draadloze vorm van communicatie. En ten tweede, juist zoals in een radio-uitzending, kan je communiceren met veel ontvangers tegelijk. Je hoeft niet te weten waar die ontvangers zijn. En het doet er niet toe of de ontvangers bewegen -- denk maar aan de stereo in je wagen. Het wordt nog beter, want het blijkt dat we de ontvangers kunnen fabriceren uit materialen die ge-encodeerd zijn in DNA. Dus elke zenuwcel met de juiste genetische opbouw zal spontaan een ontvanger produceren die ons toelaat zijn werking te controleren. Ik hoop dat je kan appreciëren hoe prachtig eenvoudig dit concept is. Er zijn geen high-tech gizmos hier, gewoon biologie verwezenlijkt door biologie.

Nu, laten we deze miraculeuze ontvangers dichter bekijken. Als we inzoomen op een van deze paarse neuronen, zien we dat het buitenste membraan bezaaid is met microscopische poriën. Zulke poriën geleiden elektrische stroom and zijn verantwoordelijk voor alle communicatie in het zenuwstelsel. Maar deze poriën hier zijn speciaal. Ze zijn gekoppeld aan lichtreceptoren gelijkaardig aan die in je ogen. Wanneer een lichtflits de receptor bereikt, opent de porie en wordt de elektrische stroom aangezet, en het neuron vuurt elektrische impulsen af. Omdat de licht-geactiveerde porie in DNA ge-encodeerd is, kunnen we een ongelooflijke precisie bereiken. Dit is omdat, hoewel elke cel in ons lichaam dezelfde set genen bevat, worden verschillende combinaties van genen aan en uitgezet in verschillende cellen. Je kan dit benutten om ervoor te zorgen dat slechts sommige neuronen onze licht-geactiveerde porie bevatten en andere niet. Dus in deze tekening, is de blauwachtig-witte cel in de hoek linksboven niet gevoelig aan licht omdat het de licht-geactiveerde porie niet bevat. De aanpak werk zo goed dat we zuiver artificiële boodschappen rechtstreeks in het brein kunnen invoeren. In dit voorbeeld is elke elektrische impuls, elke uitwijking op het spoor veroorzaakt door een korte lichtflits. En de aanpak werk ook in bewegende dieren.

Dit is het eerste experiment ooit in zijn soort, een soort van optisch equivalent van Galvani's experiment. Het werd zes of zeven jaar geleden gedaan door mijn toenmalig graduaatstudente, Susana Lima. Susana had de fruitvlieg links zo aangepast dat slechts twee van de 200.000 cellen in het brein de licht-geactiveerde porie bevatten. Je kent deze cellen want het zijn deze cellen die je kwaad maken wanneer je de vlieg probeert te meppen. Zij zorgen voor de ontsnappingreflex die de vlieg doet opspringen en wegvliegen wanneer je je hand in de juiste positie brengt. En je kan hier zien dat een lichtflits exact hetzelfde effect heeft. Het dier springt, spreidt zijn vleugels, slaat ermee, maar het kan niet echt opstijgen, want ze is gevangen tussen twee glazen platen. Nu, om zeker te zijn dat dit geen reactie was van de vlieg doordat ze de lichtflits kon zien, deed Susanna een simpel maar geweldig effectief experiment. Ze hakte de hoofden van haar vliegen. Deze hoofdloze lichamen kunnen ongeveer een dag overleven, maar ze doen niet veel. Ze staan gewoon wat en maken zichzelf overvloedig schoon. Dus het blijkt dat de enige trek die onthoofding overleeft ijdelheid is. (Gelach) In elk geval, zoals je zo meteen zal zien, was Susana in staat om de vluchtmotor aan te zetten van wat het equivalent is van het ruggenmerg van deze vliegen en de hoofdloze lichamen werkelijk te doen wegvliegen. Ze kwamen vanzelfsprekend niet ver. Sinds we deze eerste stappen namen, is het gebied van optogenetica geëxplodeerd. En er zijn nu honderden labo's die deze aanpak gebruiken.

En we zijn van ver gekomen sinds de eerste successen van Galvani en Susana en dieren doen samentrekken of springen. We kunnen nu werkelijk hun psychologie beïnvloeden op nogal grondige manieren zoals ik je laat zien in mijn laatste voorbeeld, dat toegewijd is aan een bekende vraag. Het leven is een aaneenrijging van keuzes met een constante druk om te beslissen wat de volgende stap is. We gaan om met deze druk door hersenen te hebben, en in onze hersenen, centra die beslissingen maken die ik de Actor heb genoemd. De Actor voert een beleid uit dat rekening houdt met de status van de omgeving en de context waarin we opereren. Onze acties veranderen de omgeving, of context, en deze veranderingen worden dan teruggevoerd in de beslissingslus.

Om een beetje neurobiologische vorm te geven aan dit abstracte model, hebben we een simpele, eendimensionale wereld gecreëerd voor ons favoriete onderwerp, fruitvliegjes. Elke kamer in deze twee verticale stapels bevat één vlieg. De linkse en rechtse helften van de kamer zijn gevuld met twee verschillende geuren, en een veiligheidscamera kijkt toe hoe de vliegjes heen en weer lopen tussen de geuren. Hier is zulk videomateriaal. Wanneer een vlieg het middelpunt van de kamer bereikt waar de twee geuren elkaar ontmoeten, moet ze een beslissing maken. Ze moet beslissen of ze terugkeert en in dezelfde geur blijft, of dat ze de middellijn oversteekt en iets nieuws probeert. Deze beslissingen zijn duidelijk een reflectie van het beleid van de Actor. Voor een intelligent wezen zoals onze vlieg, is dit beleid niet uit steen gehouwen, maar verandert wanneer het dier leert uit ervaringen. We kunnen zulks een element van adaptieve intelligentie incorporeren in ons model door aan te nemen dat het brein van de vlieg niet enkel een Actor bevat, maar een verschillende groep cellen, een Criticus, die een constante commentaar voorziet bij de keuzes van de Actor. Je kunt deze zeurende stem zien als een soort van equivalent van het brein van de Katholieke Kerk, als je een Oostenrijker bent als ik, of het superego, als je Freudiaans bent, of je moeder, als je Joods bent.

(Gelach)

Nu, klaarblijkelijk, is de Criticus een sleutelingrediënt in wat ons intelligent maakt. Dus we zijn uit op het indentificeren van de cellen in het brein van de vlieg die de rol van Criticus op zich nemen. En de logica van ons experiment was simpel. We dachten dat als we onze optische afstandsbediening konden gebruiken om de cellen van de Criticus te activeren, we artificieel zouden moeten kunnen de Actor ertoe zetten zijn beleid te veranderen. Met andere woorden, de vlieg zou moeten leren van fouten die ze dacht gemaakt te hebben, maar in werkelijkheid niet had gemaakt. Dus we kweekten vliegen wier brein min of meer willekeurig bezaaid was met cellen die lichtgevoelig waren. En dan namen we de vliegen en lieten we hen keuzes maken. En wanneer de vlieg één van de twee keuzes maakte, een geur koos, in dit geval de blauwe boven de oranje, deden we de lichten aan. Als de Criticus bij de optisch-geactiveerde cellen was, zou het resultaat van de interventie een verandering in beleid moeten zijn. De vlieg zou moeten leren de geur die gelinkt is aan de lichten te mijden.

Hier is wat gebeurde in twee gevallen. We vergelijken twee verschillende soorten vliegen, elk van hen beschikkend over ongeveer 100 lichtgevoelige cellen in hun brein, hier weergegeven in groen links en rechts. Wat gewoon is onder deze groepen cellen is dat ze allemaal de neurotransmitter dopamine produceren. Maar de identiteiten van de individuele dopamine-producerende neuronen zijn duidelijk zeer verschillend links en rechts. Het optisch activeren van deze honderd cellen in twee soorten vliegen, heeft dramatisch verschillende gevolgen. Als je kijkt naar het gedrag van de vlieg rechts, kan je zien dat wanneer ze het middelpunt van de kamer bereikt waar de twee geuren elkaar ontmoeten, ze rechtdoor loopt zoals ze ervoor deed. Haar gedrag is volledig onveranderd. Maar het gedrag van de vlieg links is zeer verschillend. Wanneer ze het middelpunt bereikt, pauzeert ze, ze ruikt voorzichtig aan het geurpatroon, alsof ze haar omgeving besnuffelt, en keert dan om. Dit betekent dat het beleid dat de Actor voert nu een instructie bevat om de geur te mijden die zich in de rechterhelft van de kamer bevat. Dit betekent dat de Criticus gesproken moet hebben in dat dier, en dat de Criticus moet vervat zitten bij de dopamine-producerende neuronen links, maar niet bij de dopamine-producerende neuronen rechts.

Door middel van veel experimenten als deze, waren we in staat om de indentiteit van de Criticus toe te schrijven aan slechts 12 cellen. Deze 12 cellen, hier weergegeven in het groen, zenden de uitvoer naar een hersenstructuur de paddenstoelorganismen genoemd, die hier in het grijs zijn weergegeven. We weten van ons formele model dat de hersenstructuur aan het ontvangende eind van de commentaar van de Criticus de Actor is. Dus deze anatomie suggereert dat de paddenstoel organismen iets te maken hebben met keuze van actie. Gebaseerd op alles dat we weten over de paddenstoelorganismen, is dit perfect logisch. Feitelijk is het zo logisch, dat we een elektronisch speelgoedcircuit kunnen bouwen dat het gedrag van de vlieg simuleert. In dit elektronisch circuit, zijn de paddenstoelorganismen gesymboliseerd door de verticale reeks blauwe LED's in het centrum van het bord. Deze LED's zijn verbonden aan sensoren die de aanwezigheid van geurende moleculen in de lucht detecteren. Elke geur activeert een verschillende combinatie van sensoren, die op zijn beurt een bepaalde geurdetector in het paddenstoelorganisme activeert. Dus de piloot in de cockpit van de vlieg, de Actor, kan vertellen welke geur aanwezig is door eenvoudigweg te kijken naar welke blauwe LED oplicht.

Wat de Actor doet met deze informatie hangt af van zijn beleid, dat opgeslagen is in de sterkte van de verbinding, tussen de geurdetectors en de motors die de ontwijkende acties van de vlieg aandrijven. Als de verbinding zwak is, blijven de motoren uit en blijft de vlieg op dezelfde koers. Als de verbinding sterk is, slaan de motoren aan en begint de vlieg te draaien. Nu beeld je een situatie in waar de motoren uitblijven, de vlieg zijn weg voortzet op zijn pad en een pijnlijk gevolg ondergaat zoals geëlektrocuteerd worden. In een dergelijke situatie, zoude we verwachten dat de Criticus opspreekt en de Actor vertelt zijn beleid te veranderen. We hebben artificieel een dergelijke situatie gecreëerd door de Criticus aan te zetten met een lichtflits. Die zorgde voor een versterking van de verbindingen tussen de momenteel actieve geurdetector en de motoren. Dus de volgende keer dat de vlieg zichzelf voor dezelfde geur bevindt, is de verbinding sterk genoeg om de motoren aan te zetten en een ontwijkend manoeuvre in gang te zetten.

Ik weet niet wat jij denkt, maar ik vind het fascinerend om te zien hoe vage psychologische begrippen verdwijnen en plaats maken voor een fysisch, mechanistisch begrip van de geest, zelfs al is het de geest van vliegen. Dit is één goed punt. Het andere goede nieuws, voor een wetenschapper tenminste, is dat er veel overblijft om te ontdekken. In de experimenten waarover ik heb verteld, hebben we de identiteit van de Criticus opgebracht, maar we hebben nog steeds geen idee hoe de Criticus zijn job doet. Als je erover nadenkt, weten wanneer je verkeerd bent zonder een leraar, of je moeder, die het je vertelt, is een zeer moeilijk probleem. Er zijn sommige ideeën in computerwetenschap en in artificiële intelligentie over hoe dit zou kunnen worden gedaan, maar we hebben nog steeds geen enkel voorbeeld opgelost van hoe intelligent gedrag ontspringt van fysische interacties in levende materie. Ik denk dat we er zullen geraken in de niet al te verre toekomst.

Dank u.

(Applaus)