Gero Miesenboeck faz reengenharia em um cérebro

Eu tenho um sósia. (Risos) Dr. Gero é um brilhante mas ligeiramente louco cientista da série "Saga Andróide" do (desenho) DragonBall Z. Se você olhar atentamente, verá que o escalpe dele foi substituído por uma cúpula de acrílico de modo que a atividade do seu cérebro pode ser observada e também controlada por luz. É exatamente isto o que eu faço -- controle óptico da mente.

(Risos)

Mas ao contrário do meu diabólico irmão gêmeo, que deseja dominar o mundo, meus motivos não são sinistros. Eu controlo o cérebro com o objetivo de entender como ele funciona. Espere um pouco, você pode dizer, como você pode simplesmente 'ir controlando' o cérebro sem antes, entendê-lo? Isto não seria 'colocar o carro na frente dos bois'? Muitos neurocientistas pensam assim e pensam também que o entendimento virá através de mais observações e análises detalhadas. Ele dizem: "se nós pudermos registrar a atividade de todos os neurônios, nós entenderemos o cérebro." Mas pense por um momento o que isto significa. Mesmo que pudéssemos medir o que cada célula está fazendo o tempo todo, ainda teríamos que atribuir sentido aos padrões de atividade registrados, e isto é muito difícil, provavelmente entenderemos estes padrões tão mal quanto entendemos os cérebros que os produzem.

Dêem uma olhada em como a atividade cerebral pode se apresentar. Nesta simulação, cada ponto preto representa um neurônio. O ponto fica visível toda vez que aquela célula emite um pulso elétrico. Aqui, são 10.000 neurônios. Ou seja, você está vendo aproximadamente 1% do cérebro de uma barata. O cérebro de cada um de vocês é 100 milhões de vezes mais complicado. Em algum lugar, em um padrão como este, está você, suas percepções, suas emoções, suas memórias, seus planos para o futuro. Mas não sabemos onde, pois não sabemos como 'ler' o padrão. Nós não entendemos o código usado pelo cérebro. Para progredir, nós precisamos 'quebrar' este código. Mas como? Um experiente 'quebrador de códigos' lhe diria que para descobrir o que os símbolos, em um dado código, representam, é essencial estarmos aptos a 'brincar' com eles reorganizando-os à nossa vontade. Então, no nosso caso também, para decodificarmos a informação, contida em padrões como este, apenas observá-los não é suficiente; nós precisamos reorganizar o padrão. Em outras palavras, ao invés de apenas gravar a atividade dos neurônios, precisamos controlá-la. E não é essencial que controlemos a atividade de todos os neurônios de um cérebro, mas apenas de alguns. Quanto mais precisas forem nossas intervenções, melhor. Em um minuto, eu lhes mostrarei como nós podemos atingir a precisão necessária.

Como sou mais realista do que soberbo, não afirmo que a habilidade de controlar a função do Sistema Nervoso desvendará subitamente todos os seus mistérios. Mas certamente aprenderemos muito. Não sou de maneira alguma a primeira pessoa a perceber o potencial de uma intervenção instrumental. A história das tentativas de perscrutar as funções do Sistema Nervoso é longa e ilustre. Ela remonta há pelo menos 200 anos, aos famosos experimentos de Galvani no final do século XVIII e além. Galvani mostrou que as patas de um sapo contraíam-se quando ele conectava o nervo ciático a uma fonte de corrente elétrica. Este experimento revelou a primeira, e talvez mais fundamental, 'jóia' do código neural: que a informação está escrita em forma de impulsos elétricos. A abordagem do Galvani em sondar o sistema nervoso com eletrodos permanece como o "estado-da-arte" até os dias de hoje, a despeito de várias desvantagens. Espetar fios, cérebro afora, é obviamente um pouco grosseiro. É difícil fazê-lo em animais que se movimentam, e ainda há um limite físico para o número de fios que podem ser inseridos simultaneamente.

Então, na virada do último século, comecei a pensar, quão maravilhoso seria se alguém pudesse pegar essa lógica e colocá-la de ponta-cabeça. Ou seja, ao invés de inserir um fio até um ponto do cérebro, reestruturar o próprio cérebro para que alguns de seus elementos neurais se tornem responsivos a sinais difusamente transmitidos, como, por exemplo, um pulso de luz. Tal abordagem iria, literalmente num piscar de luzes, superar muitos dos obstáculos à descoberta. Primeiro, é claramente uma forma não-invasiva de comunicação sem fio. Segundo, tal como numa transmissão de rádio, você pode comunicar-se com vários receptores ao mesmo tempo. Você nem mesmo precisa saber onde estes receptores estão. E não importa também se os receptores se movem -- é como o rádio do seu carro. E fica ainda melhor, porque podemos fabricar os receptores a partir de materiais codificados no DNA. Então, cada neurônio com a correta constituição genética produzirá espontaneamente um receptor que nos permitirá controlar sua função. Eu espero que vocês apreciem a belíssima simplicidade deste conceito. Não existem aqui aparatos de alta tecnologia, apenas biologia revelada através da biologia.

Agora, vamos olhar de perto estes miraculosos receptores. À medida em que nos aproximamos de um destes neurônios representados em roxo, vemos que suas membranas externas são salpicadas por poros microscópicos. Poros como estes conduzem corrente elétrica e são responsáveis por toda a comunicação no Sistema Nervoso. Mas estes poros aqui são especiais. Eles são acoplados a fotoreceptores semelhantes àqueles dos olhos de vocês. Sempre que um brilho de luz atinge o receptor, o poro se abre e uma corrente elétrica é gerada, e o neurônio dispara impulsos elétricos. Como o poro ativado pela luz é codificado no DNA, nós podemos atingir uma precisão incrível. Isto porque, a despeito de cada uma das células dos nossos corpos possuirem o mesmo conjunto gênico, diferentes combinações de genes são ativados ou inativados em diferentes células. Você pode explorar isto para assegurar que apenas alguns neurônios contenham nossos poros ativados por luz e outros não. Então, neste desenho, a célula branco-azulada no canto superior esquerdo não responde à luz pois ela não tem o poro ativado por luz. Essa abordagem funciona tão bem que nós podemos escrever mensagens puramente artificiais diretamente no cérebro. Neste exemplo, cada impulso elétrico, cada deflexão no traçado, é causada por um breve pulso de luz. E esta abordagem funciona também em animais em movimento, em ação.

Este é o primeiro experimento do gênero, um equivalente óptico do experimento do Galvani. Ele foi realizado há seis ou sete anos pela minha então estudante de gradução, Susana Lima. Susana estruturou a mosca da esquerda de modo que apenas duas, das 200.000 células do cérebro da mosca, expressassem o canal ativado por luz. Estas células são velhas conhecidas de vocês pois são aquelas que frustram vocês quando vocês tentam acertar a mosca com um tapa. São células que treinam o reflexo de escape que leva a mosca 'mergulhar' no ar e voar para longe, toda vez que você muda a posição da sua mão. E vocês podem ver aqui que o pulso luminoso tem exatamente o mesmo efeito. O inseto pula, ele abre suas asas e as faz vibrar, mas aqui ele não pode voar, pois ele está preso entre duas lâminas de vidro. Para certificar-se de que isto não era apenas uma reação da mosca à visão do 'flash', Susana fez um simples, e eficaz experimento, apesar de brutal. Ela cortou as cabeças das moscas. Estes corpos decapitados vivem por aproximadamente um dia, apesar de não fazerem muita coisa Eles apenas ficam por ali e se limpam excessivamente. Ou seja, parece que o único traço que permanece após a decapitação é a vaidade. (Risos) De qualquer modo, como você verão em um momento, Susana conseguiu ligar o motor de vôo do que seria o equivalente à medula espinhal destas moscas e fazer alguns corpos sem cabeça decolarem e voarem. Obviamente eles não vão muito longe. Desde que demos estes primeiros passos, o campo da optogenética 'explodiu'. E agora existem centenas de laboratórios usando este tipo de abordagem.

E nós já avançamos muito desde os primeiros sucessos de Galvani e Susana fazendo os animais se contorcerem ou pularem. Nós agora podemos interferir na psicologia deles de maneiras um tanto quanto profundas como eu lhes mostrarei no meu último exemplo, que é direcionado a uma questão corriqueira. A vida é uma seqüência de escolhas que cria uma constante pressão para se decidir o que fazer a seguir. Nós lidamos com estas pressões, tendo cérebros e, dentro de nossos cérebros, através dos centros de tomada-de-decisão que, aqui, eu chamei de Ator. O Ator implementa uma política que leva em consideração o estado do ambiente e o contexto no qual operamos. Nossas ações modificam o ambiente, ou o contexto, e estas mudanças, por sua vez, retroalimentam a alça de decisão.

Agora, para adicionar um pouco do substrato neurobiológico, neste modelo abstrato, nós construímos um mundo unidimensional simples para nossos sujeitos prediletos, as moscas-da-fruta. Cada câmara nestas duas pilhas verticais contém uma mosca. As metades direita e esquerda de cada câmara são preenchidas por dois diferentes odores, uma câmera de vídeo registra à medida em que as moscas transitam entre elas. Aqui estão os melhores momentos deste circuito-fechado de TV. Sempre que uma mosca atinge o ponto médio da câmara, onde as duas linhas de odores se encontram, a mosca tem que tomar uma decisão. Ela tem que decidir entre voltar e continuar no mesmo odor, ou se vai continuar e cruzar a linha média e tentar algo novo. Estas decisões refletem claramente a a política do Ator. Agora, para um ser inteligente como nossa mosca, esta política não está gravada na rocha, mas muda conforme o inseto aprende pela experiência. Nós podemos incorporar um elemento de inteligência adaptativa ao nosso modelo considerando que o cérebro da mosca contém não apenas um Ator, mas um grupo diferente de células, uma Crítica, que fornece continuamente comentários sobre as escolhas do Ator. Você pode imaginar esta voz interna ranzinza como um equivalente cerebral humano da Igreja Católica, se você for austríaco como eu, ou como o Superego, se você for Freudiano, ou ainda sua mãe, se você for judeu.

(Risos)

Agora, obviamente, a Crítica é um ingrediente-chave que nos torna inteligentes. Então saímos em busca da identificação das células cerebrais que, no cérebro da mosca, exercem o papel da Crítica. E a lógica do nosso experimento foi simples. Imaginamos que se usassemos nosso controle remoto óptico para ativar as células da Crítica, estaríamos aptos a, artificialmente, perturbar o Ator para que ele mude sua política. Em outras palavras, a mosca deveria aprender com os erros que ela pensa que cometeu mas que, na verdade, ela não cometeu. Então, nós criamos moscas cujos cérebros foram mais ou menos aleatoriamente salpicados com células ativadas por luz. Daí, pegamos estas moscas e deixamos que fizessem escolhas. E sempre que elas faziam uma das duas escolhas, escolher um odor, neste caso, o odor azul ao invés do laranja, nós acionávamos as luzes. Se a Crítica estivesse entre as células ativadas pela luz, o resultado desta intervenção deveria ser uma mudança na política. A mosca deveria aprender a evitar o odor opticamente reforçado.

Aqui, está o que aconteceu em duas instâncias. Estamos comparando duas cepas de moscas, cada uma com cerca de 100 células sensíveis à luz em seus cérebros, mostradas aqui em verde, à esquerda e à direita. O que é comum nestes grupos celulares é que todos eles produzem dopamina como neurotransmissor. Mas a identidade de cada neurônio produtor de dopamina é claramente diferente entre o painel da esquerda e o da direita. Ativando opticamente Estas cento 'e poucas' células em duas cepas de moscas, produzimos conseqüências dramaticamente diferentes. Se você observa inicialmente o comportamento da mosca à direita, você pode ver que sempre que ela atinge o ponto médio da câmara, onde os dois odores se encontram, ela marcha diretamente como antes, Seu comportamento é completamente inalterado. Mas o comportamento da mosca da esquerda é bem diferente. Sempre que ela atinge o ponto médio, ela para, sonda cuidadosamente a interface dos odores, como se estivesse cheirando seu ambiente, e, a seguir, retorna. Isto significa que a política que o Ator implementa inclui agora uma instrução para evitar o odor que está na metade direita da câmara. Isto significa que a Crítica deve 'ter falado' neste inseto, e que a Crítica deve estar sediada entre os neurônios dopaminérgicos da esquerda, mas não entre os neurônios dopaminérgicos da direita.

Através de muitos experimentos semelhantes nós fomos capazes de estreitar a identidade da Crítica para apenas 12 células. Estas 12 células, mostradas aqui em verde, enviam sinais para uma estrutura cerebral chamada de 'corpos pedunculados', que aqui estão representados em cinza. Nós sabemos através do nosso modelo formal que a estrutura cerebral na extremidade terminal do comentário da Crítica é o Ator. Então, essa anatomia sugere que os corpos pedunculados têm algo a ver com a escolha da ação. Baseado em tudo que conhecemos sobre os corpos pedunculados, isto faz perfeito sentido. Na verdade, isto faz tanto sentido, que podemos construir um circuito eletrônico de brinquedo que simula o comportamento da mosca. Neste circuito eletrônico de brinquedo, os neurônios dos corpos pedunculados estão representados pela fileira vertical de LEDs azuis no centro da placa. Estes LEDs estão conectados a sensores que detectam a presença de moléculas odoríferas no ar. Cada odor ativa uma diferente combinação de sensores, que, por sua vez, ativará um diferente detector de odor nos corpos pedunculados. Então, o piloto na cabine da mosca, o Ator, pode identificar qual odor está presente apenas olhando quais dos LEDs azuis são acesos.

O que o Ator faz com esta informação depende de sua política, que está armazenada na força de suas conexões, entre os detectores de odor e a parte motora que potencializa as ações evasivas da mosca. Se a conexão é fraca, os motores permanecem desligados e a mosca continuará normalmente em sua trajetória. Se a conexão for forte, os motores serão ligados e a mosca iniciará seu retorno. Agora, considerem a situação na qual os motores permanecem desligados, a mosca continua em seu caminho e ela sofre alguma dolorosa conseqüência, tal como ser estapeada. Em uma situação como esta nós esperaríamos que a Crítica intercedesse e dissesse ao Ator para modificar sua política. Nós criamos esta situação artificialmente através da ativação da Crítica com um pulso de luz. Isto causava um fortalecimento das conexões entre o detector de odor que estava ativado no momento e os motores. Então, na próxima vez que a mosca se depara com o mesmo odor, a conexão está forte o suficiente para ligar os motores e desencadear uma manobra de evasão.

Eu não sei quanto a vocês, mas eu acho sensacional ver como noções psicológicas vagas se evaporam e dão lugar a um entendimento físico, mecanicista da mente mesmo que seja a mente de uma mosca. Esta é uma parte das boas notícias. A outra boa notícia, ao menos para um cientista, é que falta muito para ser descoberto. Nos experimentos que mostrei a vocês, nós ressaltamos a identidade da Crítica, mas ainda não fazemos idéia de como esta Crítica faz seu trabalho. Pensem agora sobre isto: saber quando você está errado sem um professor, ou sua mãe lhe dizendo é um problema difícil. Existem algumas idéias em ciência da computação e em inteligência artificial de como isto poderia ser feito, mas nós ainda não resolvemos nem um único exemplo de como o comportamento inteligente emerge das interações físicas para a matéria viva. Eu penso que nós chegaremos lá em um futuro não muito distante.

Obrigado.

(Aplausos)