Daniel Wolpert: Adevăratul motiv pentru care avem creier

Sunt neurocercetător. Și în neurocercetare, ne punem multe întrebări dificile legate de creier. Vreau să încep cu cea mai simplă întrebare pe care v-ați pus-o cu toții la un moment dat, fiindcă e o întrebare fundamentală dacă vrem să înțelegem rolul creierului. De ce noi și alte animale avem creiere? Nu toate speciile au, așa că dacă vrem să știm ce rol are creierul, haideți să ne gândim de ce avem unul. Puteți spune că avem creier ca să percepem lumea sau să gândim, dar e complet greșit. Dacă vă gândiți o vreme la această întrebare, devine evident ce de avem creier. Avem creier pentru un singur motiv: să producem mișcări complexe și să le adaptăm. Acesta e singurul motiv. Gândiți-vă. Mișcarea e singurul mod prin care poți influența lumea din jur. Nu e chiar așa. Mai e unul - prin transpirație. Dar în afară de transpirație, totul are loc prin contractarea mușchilor.

Gândiți-vă la comunicare - vorbirea, gesturile, scrisul, limbajul semnelor- toate se fac prin contractarea mușchilor. Trebuie să ținem minte că procesele senzoriale, de memorie și cognitive sunt importante doar pentru a porni sau a opri mișcări viitoare. Nu există niciun avantaj evoluționar să păstrezi amintiri din copilărie sau să vezi culoarea unui trandafir, dacă asta nu influențează modul în care te vei mișca în viață.

Pentru cei care resping acest argument, copacii și iarba nu au creier, dar dovada clară stă în acest animal - ascidia. E un animal primitiv, are sistem nervos și înoată în ocean în primii ani de viață. La un moment dat, se prinde de o rocă. Primul lucru pe care-l face după aceea - nu va părăsi niciodată roca respectivă - e să își digere creierul și sistemul nervos ca să se hrănescă. Dacă nu mai trebuie să te miști, nu ai nevoie de creier. Animalul acesta e folosit adesea pentru a ilustra ce se întâmplă în universități după ce profesorul preia postul, dar asta-i altă treabă.

(Aplauze)

Sunt un șovinist al mișcării. Cred că mișcarea e cea mai importantă funcție a creierului - să nu îi credeți pe cei care spun altceva. Dacă mișcarea e atât de importantă, cât de bine înțelegem modul în care creierul controlează mișcarea? Nu foarte bine, e o problemă complicată. Dar putem găsi un răspuns uitându-ne cât de bine reușim să construim mașini care să facă ce fac oamenii.

Gândiți-vă la șah. Cât ne bine ne descurcăm să mișcăm piesele? Dacă Gary Kasparov, când nu e în închisoare, joacă împotriva Deep Blue al IBM-ului, Deep Blue mai câștigă câteodată. Cred că dacă Deep Blue ar juca împotriva celor de aici, ar câștiga mereu. Problema asta e rezolvată. Cum rămâne cu problema ridicării unei piese de șah, de manipularea ei cu dexteritate și așezarea ei pe tablă? Dacă vei compara dexteritatea unui copil de 5 ani cu cea a unui robot, răspunsul e simplu: copilul câștigă de fiecare dată. Nu există niciun fel de competiție.

De ce problema de sus e ușor de rezolvat, și cea de jos e atât de grea? Un motiv e că un copil isteț de 5 ani îți poate spune algoritmul pentru problema de sus - analizează mișcările posibile până la sfârșitul partidei și o alege pe cea câștigătoare. E un algoritm foarte simplu. Desigur, există și alte mișcări, dar cu ajutorul computerelor le aproximăm și ne apropiem de cea mai bună soluție. Când vine vorba de dexteritate, nici nu e clar care e algoritmul pentru a fi îndemânatic. Trebuie să percepi și să acționezi asupra lumii, unde există multe probleme.

Să vă arăt robotica modernă. Marea ei parte e uimitoare, dar robotica mișcării e de-abia la început. Iată un proiect de doctorat al unuia din cele mai bune institute de robotică. Studentul a învățat robotul să toarne apă în pahar. E greu pentru că apa sare în jur, dar robotul se descurcă. Însă nu are nici pe departe îndemânarea omului. Dacă vrei ca robotul să îndeplinească altă sarcină, asta înseamnă alți trei ani de doctorat. Nu există niciun fel de generalizare de la o sarcină la alta în robotică.

Putem compara asta cu cele mai bune performanțe umane. V-o prezint pe Emily Fox, care deține recordul mondial la aranjat pahare. Americanii din public sunt familiarizați cu aranjatul paharelor. E un sport la liceu, unde ai 12 pahare pe care trebuie să le aranjezi contracronometru în ordinea stabilită. Aici. Emily realizează recordul mondial. (Râsete) (Aplauze) E foarte bucuroasă. Nu știm ce se întâmplă în creierul ei când face asta, dar am vrea să știm.

De aceea, în grupul meu încercăm să realizăm ingineria inversă a mișcării umane. Pare simplu. Trimiți o comandă și mușchii se contractă. Brațul sau corpul se mișcă și primești feedback senzorial de la ochi, piele, mușchii etc. Problema e că aceste semnale nu sunt perfecte. Unul dintre lucrurile care îngreunează controlul mișcării e feedback-ul senzorial zgomotos. Și aici nu mă refer la sunet. În termeni inginerești și neurologici înseamnă un zgomot haotic ce modifică semnalul. Înainte de radioul digital, când deschideai radioul, auzeai „crrrcc” pe post, asta era zgomotul. În general, zgomotul e ceva ce modifică semnalul.

De exemplu, dacă pui mâna sub masă și încerci să o localizezi cu cealaltă mână, poți să greșești cu câțiva centimetri din cauza zgomotului din feedback-ul senzorial. La fel se întâmplă când stimulezi efectorii, rezultă mult zgomot. Uitați de lovitul centrului la darts, încercați să ochiți în același loc iar și iar. Apar abateri mari din cauza variației mișcării. În plus, lumea exterioară sau sarcina primită, sunt ambigue și schimbătoare. Ceainicul poate fi plin sau gol. Se schimbă în timp. Deci, ne mișcăm într-un amestec de zgomote senzoriale.

Zgomotul e așa de mare încât societatea acordă un premiu uriaș celor care pot reduce consecințele lui. Dacă ești norocos și bagi o minge mică, albă într-o gaură la zeci de metri depărtare, folosind o crosă, societatea te răsplătește cu sute de milioane de dolari.

Vreau să vă conving că și creierul face eforturi mari să reducă efectele negative ale zgomotului și variabilelor. Pentru asta, vă voi prezenta un cadru folosit des în ultimii 50 de ani în statistică și în învățarea automată, numit teoria decizională Baye. Mai nou, e un mod de a ilustra cum reacționează creierul în fața variabilelor. Ideea de bază e că vrei să faci deducții și să acționezi.

Să ne gândim la deducții. Vrei să generezi deducții despre lume. Ce sunt deducțiile? Exemplu de deducție: unde-mi sunt situate brațele în spațiu? Mă uit la o pisică sau la o vulpe? Vom reprezenta deducțiile prin probabilități. Vom reprezenta o deducție cu o cifră între 0 și 1 - 0 înseamnă că nu cred, 1 că sunt sigur. Cifrele între 0 și 1 ilustreză gradul de nesiguranță. Idea în deducția bayesiană e că ai două surse de informații pe care să-ți bazezi deducțiile. Ai datele și în neuroștiință asta înseamnă informații senzoriale. Primesc informații senzoriale pe care îmi pot fonda deducțiile. Dar mai e o sursă de informații, și anume cunoștințele anterioare. Toată viața acumulezi cunoștințe în memorie. Iar teoria decizională bayesiană îți furnizează cea mai bună cale matematică să combini cunoștințele anterioare cu dovezile senzoriale pentru a crea noi deducții.

Am pus formula aici. N-o să vă explic formula, dar e foarte frumoasă. Conține o frumusețe și o putere de explicație reală. Formula se referă la probabilitatea apariției unor deducții diferite în funcție de informațiile senzoriale. Să vă dau un exemplu intuitiv. Imaginați-vă că învățați să jucați tenis și vreți să decideți unde va sări mingea când trece de plasă și vine către voi. Regula lui Baye îți spune că există două surse de informații. Cele senzoriale - folosești informații vizuale și auditive - care te ajută să identifici punctul roșu. Dar știi că simțurile tale nu sunt perfecte și există variabile legate de locul aterizării mingii, ilustrate prin norul roșu reprezentând numere între 0.5 și 1.

Acele informații vin din lovitura respectivă, dar mai există altă sursă de informații care nu vine din acea lovitură, ci se dezvoltă prin experiențe repetate în jocul de tenis și anume - mingea nu sare cu aceeași probabilitate pe teren în timpul meciului. Dacă adversarul tău e foarte bun, el poate trimite mingea în zona verde, bazându-se pe experiența lui, iar mingea este greu de returnat. Ambele surse transmit informații importante. Legea lui Baye îmi spune să înmulțesc numerele din zona roșie cu cele din zona verde pentru a obține numerele din zona galbenă, care au elipsele, și aceea e deducția mea. E cea mai bună cale de a combina informațiile.

Nu v-aș povești asta, dacă în urmă cu câțiva ani, nu am fi arătat că exact asta fac oamenii când învață mișcări noi. Înseamnă că suntem mașini bayesiane de făcut deducții. În viață, ne însușim statistici despre lume și le stocăm, dar învățăm și cât de zgomots e aparatul nostru senzorial și apoi combinăm datele după legea lui Baye.

Asta e o parte-cheie a formulei lui Baye. Ea spune că trebuie să prevăd probabilitatea diferitelor reacții senzoriale în funcție de deducțiile mele. Înseamnă că trebuie să fac predicții despre viitor. Vreau să vă conving că mintea chiar prevede feedback-ul senzorial pe care-l va primi și îți schimbă profund percepțiile prin ce faci. Vă voi arăta cum prelucrează creierul informațiile senzoriale. Trimiți o comandă, primești feedback senzorial și acea transformare e controlată de legile fizicii din corpul și sistemul tău senzorial.

Să ne imaginăm interiorul creierului. Iată cum arată creierul pe interior. Ai un simulator neuronal care indică legile fizicii din corpul și simțurile tale. Când trimiți o comandă de mișcare, copiezi acea comandă și o treci prin simulatorul tău neuronal pentru a anticipa consecințele senzoriale ale acțiunilor tale. Când scutur această sticlă de ketchup, primesc un feedback senzorial real pe rândul de jos. Un simulator bun, va prevede același lucru.

De ce m-aș obosi să fac asta? Oricum voi primi același feedback. Există niște motive bune. Imaginați-vă, pe când agit sticla de ketchup, vine cineva și atinge fundul sticlei. Acum primesc informații senzoriale suplimentare datorită actului extern. Deci am două surse. Tu atingi sticla și eu o agit, dar simțurile mele combină aceste lucruri într-o singură sursă de informații.

Există un motiv bun să crezi că ai vrea să poți distinge evenimente externe de cele interne. Cele externe îmi spun mai multe despre comportament decât dacă aș simți tot ce se petrece în interiorul meu. O cale de a reconstrui asta e să compari predicția - care se bazează doar pe comenzile de mișcare - cu realitatea. Orice discrepanțe ar trebuie să fie externe. În viața de zi cu zi, fac predicții despre ce ar trebui să primesc. Restul mi se par elemente externe.

Ce dovadă există în acest sens? Există un exemplu foarte clar când o senzație produsă de mine e foarte diferită decât cea produsă de altă persoană. Ne-am decis că locul cel mai bun punct de plecare e gâdilatul. Se știe, nu te poți gâdila singur la fel de bine cum te gâdilă ceilalți. Dar nu s-a demonstrat că simulatorul neuronal e de vină, care îți imită corpul și extrage acel simț. Putem aduce experimentele în secolul al XXI-lea folosind tehnologii robotice pentru această chestiune. Avem un fel de băț legat de brațul unui robot, care va mișca bățul înainte și înapoi. Vom urmări mișcarea cu ajutorul unui computer și o vom folosi pentru a controla alt robot care-și va gâdila palma cu alt băț. Apoi îi vom ruga să evalueze o serie de lucruri, inclusiv gradul de gâdilare.

Vă voi arăta o parte din studiul nostru. Aici am eliminat roboții - oamenii își mișcă brațul drept sinusoidal înainte și înapoi. Fac același lucru cu cealaltă mână, cu o oarecare întârziere. Fie nu există întârziere, caz în care lumina doar îți gâdilă palma sau cu o întâziere de 2/10 sau 3/10 dintr-o secundă. E important ca mâna dreaptă să facă mereu mișcări sinusoidale. Mâna stângă e mereu aceeași și provoacă gâdilăturile sinusoidale. Ne jucăm cu o cauzalitate temporală. Când trecem de la 0 la 0.1 secunde, gâdilatul e mai puternic. Când treci de la 0.1 la 0.2, gândilatul e mai puternic la sfârșit. Când ajungi la 0.2 dintr-o secundă, senzația de gâdilat e la fel de puternică pentru robotul care te-a gâdilat fără ca tu să faci nimic. Orice anulează acest lucru e legat de cauzalitatea temporală. Bazându-ne pe acest exemplu, suntem convinși de asta: creierul face predicții precise și le extrage din senzații.

Recunosc, astea sunt cele mai proaste studii din laboratorul meu. Findcă senzația de gâdilat din palmă vine și trece, ai nevoie de mulți subiecți ca rezultatele să fie semnificative. Căutam un mod mai obiectiv de a evalua fenomenul. Între timp, mi s-au născut două fiice. În mașină, în timpul călătoriilor lungi, copiii de pe bancheta din spate, încep să se bată - unul îi face ceva celuilalt, care retaliază. Lucrurile degenerează repede. Copii tind să folosească prea multă forță când se ceartă. Când țipam la ele să înceteze, uneori îmi spuneau amândouă că cealaltă a lovit mai tare.

Știu că fetele mele nu mint, și, ca neurocercetător, m-am gândit că era important să pot explica cum de spuneau adevăruri contradictorii. Pe baza studiului despre gâdilat, am presupus că după ce un copil îl lovește pe altul, se declanșează comanda de mișcare. Prevăd consecința senzorială și o extrag. Cred că l-au lovit pe celălalt mai puțin tare decât în realitate - ca la gâdilat. Pe când cel pasiv nu face predicția, ci simte lovitura din plin. Dacă răspunde cu aceeași forță, primul va crede că a lovit mai tare.

Am hotărât să testăm ideea în laborator. (Râsete) Nu lucrăm cu copii, nu lovim, dar conceptul e identic. Luăm doi adulți. Le spunem că vor juca în joc. Jucătorii stau față în față. Jocul e foarte simplu. Am început cu un motor, cu o pârghie și un transmițător de forțe. Motorul aplică o forță pe degetele primului jucător, timp de trei secunde. I-am spus să țină minte intensitatea forței și să-și folosească celălalt deget pentru a aplica aceeași forță pe degetul celuilalt subiect prin transmițătorul de forțe. I-am spus și celuilalt jucător să rețină intensitatea forței și să aplice forța cu cealaltă mână. Pe rând, ei aplică celuilalt forța pe care au simțit-o.

Atenție, li s-au explicat regulile jocului în săli separate. Nu știu după ce reguli joacă celălalt. Și am măsurat variațiile forței. Dacă ne uităm cu ce am început, 0.25 N aici, idealul ar fi ca forța să se mențină pe linia roșie. În cazul tuturor perechilor am constatat că forța crește cu 70% după fiecare apăsare. Iată ce reiese din acest experiment și altele pe care le-am făcut: creierul anulează consecințele senzoriale și subestimează forța pe care o folosește. Creierul face predicții și schimbă fundamental principiile. Am făcut deducții, predicții, acum trebuie să acționăm. Baye spune că, în funcție de deducțiile mele, acțiunea ar trebui să fie optimă.

Dar avem o problemă. Sarcinile sunt simbolice - vreau să beau, să dansez - dar corpul trebuie să contracteze 600 de mușchi într-o ordine precisă. Există o diferență mare între sarcină și sistemul de mișcare. Diferența poate fi compensată în multe moduri. Gândiți-vă la mișcarea de deplasare dintr-un punct în altul. Pot alege aceste două mișcări sau un număr infinit de mișcări. După ce am ales o mișcare, pot să fac mișcarea respectivă având multe poziții diferite ale încheieturilor. Pot să îmi țin mâna într-o anumită poziție, fie să o încordez sau o relaxez. Avem multe alegeri de făcut. Se pare că respectăm niște stereotipuri. Ne mișcăm cu toții cam în același mod.

Respectăm atât de multe stereotipurile încât creierul are circuite neuronale speciale pentru a le decoda. Dacă iau niște puncte și le pun în mișcare printr-o mișcare biologică, circuitul din creier înțelege imediat ce se petrece. Multe puncte se mișcă. Vei știi ce face acea persoană, fie că e fericită, tristă, bătrână, tânără - sunt multe informații. Dacă punctele ar fi mașini pe un circuit de curse, nu ai ști deloc ce se întâmplă.

De ce ne mișcăm astfel? Să ne gândim la ce se întâmplă. Poate că nu ne mișcăm cu toții la fel. Poate că există variații printre indivizi. Poate că cei care se mișcă mai bine au mai multe șanse să își crească copiii. Pe scară evoluționară, mișcarea se perfecționează. Poate că în viață, mișcarea e perfecționată prin învățare.

Ce o mișcare bună și una proastă? Imaginați-vă că vreau să interceptez mingea. Există două drumuri posibile către ea. Dacă-l aleg pe cel din stânga, pot să evaluez forța necesară în unul din mușchi ca o funcție temporală. Dar există zgomot. Pe baza acestei forțe estimate, primesc o versiune foarte zgomotoasă. Dacă repet aceeași comandă de multe ori, primesc mereu o versiune zgomotoasă diferită, fiindcă zgomotul se schimbă mereu. Așadar, pot să vă arăt cum evoluează variabilitatea dacă aleg acel drum. Dacă aleg să mă mișc altfel - ca în imaginea din dreapta - folosesc o comandă diferită, un zgomot diferit, mă joc în acel sistem zgomotos complicat. Ce e sigur e că variabilitatea e diferită. Dacă mă mișc în această manieră, variabilitate mișcărilor e mai redusă. Dacă trebuie să aleg între cele două, aș alege mișcarea din stânga, e mai puțin variabilă.

Ideea fundamentală e că vrei să îți plănuiește mișcările ca să minimizezi consecințele negative ale zgomotului. Una din concluzii e că zgomotul sau variabilitatea crește pe măsură ce forța crește. Un prim principiu e să eviți forțele mari. Folosindu-ne de acest lucru, am arătat că putem explica multe informații - că oamenii își plănuiesc mișcările pentru a minimiza consecințele negative ale zgomotelor.

Sper că v-am convins că rolul creierului e să controleze mișcarea. E o provocare intelectuală să înțelegem cum facem asta. Dar e un lucru important pentru înțelegerea și tratarea bolilor. Există multe boli care afectează mișcarea. Sperăm să înțelegem cum controlăm mișcarea, și să aplicăm asta în robotică. La final, vreau să vă reamintesc - când animalele îndeplinesc sarcini aparent simple, complexitatea proceselor cerebrale este imensă.

Vă mulțumesc!

(Aplauze)

C.A. Am o întrebare pentru tine, Dan. Ești un șovinist al mișcării. Crezi că toate lucrurile de care creierul nostru e responsabil - visele, dorințele, iubirea și altele - reprezintă un accident?

DW: Nu, cred că sunt foarte importante pentru a genera mișcarea comportamentală de reproducere. Cred că oamenii studiază senzațiile sau memoria fără să știe de ce păstrăm amintiri din copilărie. Uităm cea mai mare parte a copilăriei, probabil că e în regulă fiindcă asta nu ne afectează mișcările în viață. Stochezi doar lucrurile care îți vor influența mișcarea.

CA: Crezi că cei care studiază creierul și conștiința, ar afla mai multe dacă ar studia ce rol are mișcarea pentru creier și conștiință?

DW: Am aflat că studierea văzului, fără să înțelegi rolul văzului, e o greșeală. Trebuie să studiezi văzul înțelegând cum e folosit în mișcare. Văzul e folosit diferit în mișcare, dacă te gândești așa.

CA: A fost foarte interesant. Îți mulțumesc!

(Aplauze)