Gero Miesenboeck reengenharia um cérebro

Eu tenho um Doppelgänger. (Risos) Dr. Gero é um cientista brilhante mas ligeiramente louco em Dragonball Z "Saga Andróide". Se olharem com atenção, vêm que o seu crânio foi substítuido por uma cúpula transparente Plexiglas de modo a que o funcionamento do seu cérebro possa ser observado e também controlado com luz. É exactamente isso que eu faço -- controlo óptimo da mente.

(Risos)

Mas em contrastre com o meu génio do mal, que anseia dominar o mundo, os meus motivos não são sinistros. Eu control o cérebro de modo a perceber como funciona. "Espera um minuto", dizem vocês, como e que podes controlar logo o cérebro sem o perceberes primeiro? Isso não é por a carroça a frente dos bois? Muitos neurocientistas concordam com este ponto de vista e pensam que o entendimento virá com mais observação e análise detalhada. Dizem, "Se pudéssemos registar a actividade dos nossso neurónios, poderíamos entender o cérebro." Mas pensem por um momento no que isso significa. Mesmo que pudéssemos medir o que todas as células estão a fazer a qualquer momento, ainda tínhamos de racionalizar os padrões de actividade registada, e isso é tão díficil, que as hipóteses são de virmos a compreender esses padrões tão pouco quanto os cérebros que os produzem.

Observem aquilo com que a actividade cerebral se parece. Nesta simulação, cada ponto preto é uma célula nervosa. O ponto é vísivel sempre que a célula dispara um impulso eléctrico. Estão aqui 10 000 neurónios. Portanto estiveram a olhar para aproximadamente um por cento do cérebro de uma barata. Os vossos cérebros são cerca de 100 milhões de vezes mais complicados. Algures, num padrão como este, és tu, as tuas percepções, a tuas emoções, memórias, os teus planos para o futuro. Mas não sabemos onde, uma vez que não sabemos como ler o padrão. Não perebemos o código usado pelo cérebro. Para fazer progressos, temos de decifrar o código. Mas como? Um criptógrafo experiente irá dizer-vos que para perceber o que é que os símbolos num código significam, é essencial poder jogar com eles, rearranjá-los à vontade. Portanto também nesta situação, para descodificar a informação contida em padrões como este, observar apenas não é suficiente; temos de rearranjar o padrão. Por outras palavras, em vez de registar a actividade de neurónios, precisamos de os controlar. Não é essencial que tenhamos de controlar a actividade de todos os neurónios no cérebro, apenas alguns. Quanto mais direccionadas as nossas intervenções, melhor. E vou-vos mostrar num momento como é que conseguimos alcançar a precisão necessária.

E uma vez que sou realista, ao invés de pomposo, Não afirmo que a capacidade de controlar a função do sistema nervoso vai permitir imediatamente descobrir todos os seus mistérios. Mas podemos certamente aprender muito. Ora, não sou de maneira alguma a primeira pessoa a aperceber-se quão poderosa é uma intervensão com ferramentas. O historial de tentativas de manipular a função do sistema nervoso é longo e ilustre. Remonta a pelo menos 200 anos, às famosas experiências de Galvani nos finais do século XVIII e adiante. Galvani mostrou que uma perna de tinha espasmos quando o nervo lombar ligado era ligado a uma fonte de corrente eléctrica. Esta experiência revelou o primeiro, e talvez o mais fundamental, elemento do código neural: que a informação é escrita na forma de impulsos eléctricos. A abordagem de Galvani de sondar o sistema nervoso com eléctrodos permaneceu estado-da-arte até hoje, apesar da quantidade de desvantagens. Espetar fios no cérebro é obviamente cruel. É difícil de o fazer em animais que correm de um lado para o outro, e há um limite físico do número de fios que podem ser inseridos simultâneamente.

Então por volta da viragem do último século, Comecei a pensar, não seria maravilhoso se se pegasse nesta lógica e a reverter-se? Então em vez de inserir um fio num local do cérebro, reconstruir o próprio cérebro para que os seus elementos neurais se tornem responsivos a sinais de transmissão difusa, tal como um flash de luz. Tal abordagem iria literalmente, num flash de luz, ultrapassar muitos dos obstáculos às descobertas. Primeiro, é claramente não-invasivo, uma forma de comunicação sem fios. E segundo, tal como uma transmissão de rádio, é possível comunicar com muitos receptores ao mesmo tempo. Não temos de saber onde estão estes receptores. E não interessa se estes receptores se movem -- basta pensarem no rádio do vosso carro. É ainda melhor, uma vez que podemos fabricar os receptores a partir de materiais que estão codificados no ADN. Portanto cada célula nervosa com a composição genética certa irá espontâneamente produzir um receptor que nos permite controlar a sua função. Espero que apreciem a bela simplicidade deste conceito. Não há aqui anõezinhos de alta-tecnologia, apenas biologia revelada através de biologia.

Agora vamos olhar de perto estes receptores miraculosos. Ao fazermos zoom num destes neurónios roxos, podemos ver que a sua membrana externa está repleta de poros microscópicos. Poros como estes conduzem corrent eléctrica e são responsáveis por toda a comunicação no sistema nervoso. Mas estes poros aqui são especiais. Estão acoplados a receptores de luz semelhantes aos dos vossos olhos. Quando um flash de luz atinge o receptor, o poro abre e corrente eléctrica é ligada, e o neurónio dispara um impulso eléctrico. Uma ves que o poro activado por luz está codificado no DNA, podemos atingir uma precisão íncrivél. Assim o é porque, embora cada célula nos nossos corpos contenha o mesmo conjunto de genes, diferentes misturas de genes são activados ou desactivados em diferentes células. Podem explorar isto para certificarem-se que apenas alguns neurónios contêm os poros activados por luz e outros não. Portanto nesta animação, a célula branca-azulada no canto superior esquerdo não responde à luz porque não possui o poro activado por luz. A abordagem funciona tão bem que podemos escrever mensagens completamente artificias directamente para o cérebro. Neste exemplo, cada impulso eléctrico, cada deflexão no traço, é causada por um curto pulso de luz. E a aborgagem também funciona em animais em movimento, que exibem comportamento.

Esta é a primeira experiência deste tipo, uma espécie de equivalente óptica da de Galvani. Foi realizada à seis ou sete anos pela então minha aluna, Susana Lima. A Susana tinha manipulado a mosca da fruta da esquerda para que apenas duas das 200 mil células no seu cérebro expressassem o poro activdo por luz. Vocês estão familiarizadso com estas células porque elas são as que vos deixam frustrados quando tentam esmagar a mosca. Elas reforçam o reflexo de fuga que faz com que a mosca salte para o ar e voe quando movem a vossa mão. E podem ver aqui que flash de luz tem exactamente o mesmo efeito. O animal salta, abre as asas, vibra-as, mas não consegue de facto voar, porque está imprensada entre duas placas de vidro. Para garantir que esta não é uma reacção da luz ao flash que podia ver, A Susana fez uma experiência simples mas brutalmente eficiente. Cortou as cabeças das moscas. Estes corpos sem cabeça conseguem viver durante um dia, mas não fazem muito. Apenas permanecem quietas de um modo enfadonho. Portanto parece que a única característica que resite à decapitação é a vaidade. (Risos) De qualquer maneira, como vão ver num momento, A Susana foi capaz de activar o motor de voo daquilo que é o equivalente da espinhal medula das moscas e por alguns destes corpos decapitados a levantar voo e voar. Não voaram para muito longe, obviamente. Desde que tomámos estes passos iniciais, o ramo da optogenética explodiu. E há centenas de laboratórios a utilizar estas abordagens.

E percorremos um grande caminho desde os primeiros sucessos de Galvani e da Susana em fazer os animasi torcerem-se ou saltar. Agora podemos de facto interferir com a sua psicologia e maneiras verdadeiramente profundas como vos vou mostrar no meu último exemplo, que é direccionado a uma questão familiar. A vida é uma corrente de escolhas criando uma pressão constante para decidir o que fazer a seguir. Nós lidamos com esta pressão ao ter cerébros, e dentro dos nossos cérebros, centros de tomada de decisão que eu chamei aque de o Actor. O Actor implementa uma política que tem em consideração o estado do ambiente e o contexto no qual operamos. As nossas acções alteram o ambiente, ou o contexto, e estas alterações são depois devolvidas no circuito (loop) de decisão.

Agora para pôr algum conteúdo neurobiológico neste modelo abstracto, nós construímos um mundo uni-dimensional simples para o nosso sujeito favorito, moscas da fruta. Cada câmara destas duas colunas verticais contém uma mosca. A metade esquerda e direita da câmara estão preenchidas por dois odores diferentes, e uma câmara de segurança regista os movimentos das moscas entre elas. Aqui está uma gravação CCTV. Assim que uma mosca atinge o ponto médio da câmara onde as duas correntes de odores se encontram, tem de tomar uma decisão. Tem de decidir entre virar-se para trás e permanecer no mesmo odor, ou se atravessa a linha média e experimenta algo novo. Estas decisões são claramente um reflexo da política do Actor. Ora para um ser inteligente como a nossa mosca, esta política não está escrita em pedra, mas sim muda conforme o animal aprende com a experiência. Podemos incorporar tal elemento de inteligência adaptativa no nosso modelo ao assumir que o cérebro da mosca contém não apenas um Actor, mas um diferente grupo de células, um Crítico, que fornece um comentário contínuo acerca das decisões do Actor. Podem pensar nesta voz interior enervante como uma espécie de equivalente cerebral da Igreja Católica, se forem um Austríaco como eu, ou o superego, se forem Freudianos, ou a vossa mãe, se forem Judeus.

(Risos)

Ora obviamente, o Crítico é um ingrediente chave no que nos torna inteligentes. Portanto decidimos indentificar as células no cérebro da mosca que desempenham o papel do Crítico. E a lógica da nossa experiência era simples. Pensámos que se pudéssemos usar o nosso controlo remoto óptico para activar as células do crítico, deveríamos ser capazes de, artificialmente, importunar o Actor para mudar a sua política. Por outras palavras, a mosca devia aprender a partir do erros que pensava ter feito, mas que na realidade não tinha feito. Portanto criámos moscas cujos cérebros estavam mais ou menos pulvilhados ao acaso com células que eram sensíveis à luz. E depois pegámos nessas moscas e deixámo-las fazer escolhas. E sempre que faziam uma das duas escolhas, escolher um odor, neste caso o azul ou o laranja, ligávamos as luzes. Se o Crítico se econtrasse nestas células opticamente activáveis , o resultado desta intervenção deveria ser uma mudança de política. A mosca deveria aprender a evitar o odor opticamente estimulado.

Aqui está o que aconteceu em dois casos. Estamos a compara as duas estirpes de moscas, cada uma tendo cerca de 100 células sensíveis à luz nos seus cérebros, mostradas aqui a azul na esquerda e na direita. O que é comum neste grupo de células é que todas elas produzem o neurotransmissor dopamina. Mas as identidades dos neurónios produtores de dopamina individuais são claramente e largamente diferentes na esquerda e na direita. Activar opticamente estas centenas de células em duas estirpes de moscas, tem consequências dramaticamente diferentes. Se olharem primeiro para o comportamento da mosca da direita, podem ver que sempre que atinge o ponto médio da câmara onde os dois odores se encontram, continua a sua marcha como o faria anteriormente. O seu comportamento permanece completamente inalterado. Mas o comportamento da mosca da esquerda é muito diferente. Sempre que atinge o ponto médio, pausa, examina cuidadosamente a interface de odores, como se tivesse a analisar o seu ambiente e depois volta para trás. Isto significa que a política que o Actor implementa agora ínclui uma instrução para evitar o odor que está na parte direita da câmara. Isto significa que o Crítico teve de falar naquele animal, e que o Crítico deve estar contido entre os neurónios produtores de dopamina na esquerda, mas não nos neurónios produtores dopamina na direita.

Através de muitas experiências como esta esta, fomos capazes de reduzir a identidade do Crítico para apenas 12 células. Estas 12 células, aqui mostradas em verde, enviam um sinal para uma estrutura do cérebro chamado o corpo cogumelo, que está aqui a cinzento. Sabemos a partir do nosso modelo formal que a estrutura cerebral no terminal receptor do comentário do Crítico é o Actor. Portanto esta anatomia sugere que os corpos cogumelo têm algo a haver com a escolha de acção. Baseado em tudo aquilo que sabemos sobre os corpos cogumelo, isto faz perfeito sentido. De facto, faz tanto sentido, que podemos construir um circuito electrónico de brinquedos que simule o comportamento da mosca. Neste circuito electrónico, os neurónios do corpo cogumelo são representados pelo banco vertical de LEDs azuis no centro da placa. Estes LEDs estão ligados a sensores que detectam a presença de moleculas odorosas no ar. Cada odor activa uma combinação diferente de sensores, que por sua vez activa um detector de odor diferente no corpo cogumelo. Portanto o piloto no cockpit da mosca, o Actor, consegue destinguir que odor está presente simplesmente por olhar para que LEDs azuis se acendem.

O que Actor faz com esta informação depende da sua política, que está armazenada na força da conexão, entre os detectores de odor e os motores que alimentam as acções evasivas da mosca. Se a conexão for fraca, os motores irão permanecer desligados e a mosca irá continuar o seu curso a direito. Se a conexão for forte, os motores irão ligar-se e a mosca irá iniciar a sua viragem. Agora considerem a situação em que os motores permanecem desligados, e a mosca continua o seu percurso e sofre uma consequência dolorosa tal como ser atingida. Numa situação como esta, podemos esperar que o Crítico se manifeste e diga ao Actor para mudar a sua política. Nós criámos tal situação artificialmente ao ligar o Crítico com um flash de luz, Que causou um fortalecimento das conexões entre os detectores de odor presentemente activos e os motores. Portanto da próxima vez que a mosca se depare com o mesmo odor, a conexão é forte o suficiente para que ligar os motores e para desencadear uma manobra evasiva.

Eu não quanto a vocês, mas eu acho emocionante ver como noções psicológicas tão vagas se evaporam e dão luz a um entendimento físico e mecanístico da mente, mesmo que seja da mente de uma mosca. Esta é uma parte das boas notícias. A outra parte das boas notícias, para um cientista pelo menos, é que muito permanece desconhecido. Nas experiências que vos contei, revelámos a indentidade do Crítico, mas ainda não fazemos ideia de como o Crítico faz o seu trabalho. Ao pensar nisso, saber quando estamos errados sem um professor, ou uma mãe a dizer-vos, é um problema muito difícil. Há algumas ideias em ciências da computação e em inteligência artificial de como isto pode ser feito, mas ainda não resolvemos um único exemplo de como o comportamento inteligente resulta de interacções físicas em matéria viva. Acho que iremos lá chegar num futuo não muito distante.

Obrigado.

(Aplausos)