Gero Miesenboeck prestavuje mozog

Mám dvojníka. (Smiech) Dr. Gero je vynikajúci, ibaže trocha šialený vedec v Dragonball Z "Android Ságe." Ak sa pozriete pozorne, zistíte, že namiesto lebky má priehľadnú kupolu z plexiskla, takže možno vidieť, čo sa deje v jeho mozgu a kontrolovať ho svetlom. Presne to isté robím aj ja... optické kontrolovanie mysle.

(Smiech)

Ale na rozdiel od môjho zlomyseľného dvojčaťa, ktoré chce ovládnuť svet, moje motívy nie sú zlomyseľné. Kontrolujem mozog, aby som porozumel, ako funguje. "Tak počkať," poviete si, "ako môžeš kontrolovať mozog bez toho, aby si mu najprv porozumel?" Nemalo by to byť naopak? Mnoho neurobiológov s týmto názorom súhlasí a myslí si, že k porozumenie sa dosiahne detailnejším pozorovaním a analýzami. Vravia: "Ak dokážeme zaznamenať aktivitu neurónov, porozumieme mozgu." Porozmýšľajte chviľu, čo to znamená. Aj keby sme dokázali zmerať činnosť každej bunky v každom momente do určitej schémy, museli by sme ešte dokázať pochopiť takúto schému. A to je veľmi náročné. Šance, že tekejto schéme porozumieme, sú také malé ako mozgy, ktoré ju produkujú.

Pozrime sa, ako môže mozgová aktivita vyzerať. V tejto simulácii, každá čierna bodka predstavuje jeden neurón. Bodka je viditeľná vtedy, keď neurón vysiela elektrický impulz. Tu vidíme 10 000 neurónov. Takže sa pozeráte na asi jedno percento mozgu švába. Vaše mozgy sú približne 100-miliónovkrát komplikovanejšie. Niekde v takejto schéme ste vy, vaše vnemy, vaše emócie, vaše spomienky, vaše plány do budúcna. Ale nevieme kde, kedže nevieme, ako túto schému čítať. Nerozumieme kódu, ktorý náš mozog používa. Aby sme sa pohli ďalej, musíme tento kód rozlúštiť. Ale ako? Skúsený lúštiteľ kódov vám povie, že ak chce zistiť, čo znamenajú symboly v kóde, musí byť schopný sa s nimi hrať, zámerne ich preskupovať. Takisto aj v tejto situácii, aby sme dekódovali informáciu obsiahnutú v takýchto schémach, iba pozorovanie nestačí. Musíme schému usporiadať inak. Inými slovami, namiesto nahrávania aktivity neurónov, musíme ich aktivitu kontrolovať. Nie je nutné kontrolovať aktivitu všetkých neurónov v mozgu, len niektorých. Čím sú naše zásahy presnejšie mienené, tým lepšie. A o chvíľu vám ukážem, ako možno dosiahnuť dostatočnú presnosť.

A keďže som skôr realista, než chválenkár, netvrdím, že schopnosť kontrolovať funkciu neurového systému naraz odhalí všetky jeho záhady. Ale určite sa tým dozvieme veľa. Dozaista nie som prvou osobou, ktorá si uvedomila, akým významným nástrojom je intervencia. História pokusov vŕtať sa vo funkciách neurového systému je dlhá a dobre známa. Siaha prinajmenšom 200 rokov do minulosti ku Galvaniho slávnym experimentom uskutočnenými koncom 18. storočia a neskôr. Galvani ukázal, že nohou žaby šklblo, keď pripojil driekový nerv k zdroju elektrického prúdu. V tomto experimente prvýkrát odhalil možno najdôležitejšie zrnko neurového kódu: informácia je zapísaná vo forme elektrického impulzu. Galvaniho prístup skúmania neurového systému elektródami zostal neprekonaný až do dnešných dní, napriek viacerým nedostatkom. Strkať do mozgu káble je samozreme trochu hrubé. Nejde to ani so zvieratami, a je tu aj fyzický limit počtu káblov, ktoré môžu byť vsunuté v mozgu súčasne.

Takže na prelome posledného storočia som začal rozmýšľať, že by bolo skvelé, keby sa táto logika dala otočiť hore nohami. Takže namiesto vloženia káblu na určité miesto v mozgu prispôsobme mozog sám. A to tak, že niektoré z neurónov budú reagovať na šírenie rozptýleného signálu, akým je záblesk svetla. Takýto prístup by doslova v źablesku svetla prekonal mnoho prekážok. Poprvé, je to neinvazívna, bezkontaktné forma komunikácie. Podruhé, tak ako u rádiového vysielania, môžete komunikovať s viacerými prijímateľmi naraz. Nemusíte vedieť, kde sa týto príjmatelia nachádzajú. A nezáleží na tom, či sa týto prijímatelia pohybujú, jednoducho si predstavte rádio vo vašom aute. A je to ešte lepšie. Ukázalo sa, že takéto prijímače dokážeme vyrobiť z informácie zakódovanej v DNA. Takže každá nervová bunka so správnou genetickou úpravou bude spontánne produkovať prijímače, ktoré nám umožnia kontrolovať jej funkcie. Dúfam, že oceníte krásnu jednoduchosť celého tohto konceptu. Nepoužijeme tu žiadne technické mašinky, len biológiu odhaľovanú biológiou.

Teraz sa poďme pozrieť na tieto podivuhodné prijímače bližšie. Keď si zväčšíme jeden z týchto fialových neurónov, vidíme, že jeho vonkajšia membrána je posiata mikroskopickými trans-membránnymi pórmi. Takéto póry vedú elektrický prúd a sú zodpovedné za celú komunikáciu v neurovom systéme. Ale tieto póry sú odlišné. Sú spojené s receptormi svetla, podobným tým, aké máte v očiach. Vždy, keď je svetlo absorbované týmto receptorom, pór sa otvorí, elektrický prúd sa spustí a neurón vystrelí elektrický impulz. Pretože póry aktivované svetlom sú zakódované v DNA, vieme dosiahnuť neuveriteľnú presnosť. To preto, že hoci každá bunka v našom tele obsahuje rovnakú sadu génov, rozličné gény sú zapnuté či vypnuté v rozličných bunkách. To môžme využiť, aby sme sa uistili, že len určité neuróny obsahujú naše svetlom aktivovateľné póry a iné nie. Takže na tomto nákrese modrobiela bunka v ľavom hornom rohu nereaguje na svetlo, pretože jej chýba svetlom aktivovaný pór. Tento prístup funguje tak dobre, že môžeme písať čisto umelé správy priamo do mozgu. V tomto príklade, každý elektrický impulz, každý výkyv tohto grafu, je spôsobený krátkym impulzom svetla. Tento prístup funguje aj u pohybujúcich sa zvierat.

Toto je prvý experiment svojho druhu, akýsi optický ekvivalent Galvaniho. Robila ho pred šiestimi či siedmimi rokmi moja vtedajšia postgraduálna študentka Susana Lima. Susana upravila octomilku naľavo tak, že len dve z 200 000 buniek v jej mozgu mali svetlom aktivovaný pór. Takéto bunky sú vám známe, lebo to sú tie, ktoré vás frustrujú, keď sa snažíte zabiť muchu. Sú zodpovedné za únikový reflex, vďaka ktorému mucha vyskočí do vzduchu a odletí preč, vždy keď sa zaženiete. A tu vidíte, že záblesk svetla má presne ten istý efekt. Zviera vyskočí, rozprestrie krídla, vibruje nimi ale odletieť v skutočnosti nemôže, lebo je medzi dvoma sklenenými tabuľami. No aby sme sa uistili, že to nebola reakcia muchy na to, že vidí záblesk, Susana spravila jednoduchý ale brutálne efektívny experiment. Odrezala muchám hlavy. Takéto bezhlavé telá žijú ešte tak deň, ale veľa toho nenarobia. Len tak postávajú a nadmerne sa čistia. Zdá sa, že jediná osobnostná črta, ktorá prežije odťatie hlavy je márnivosť. (Smiech) Každopádne, ako o chvíľu uvidíte, Susana dokázala zapnúť letecký motor, ktorý je ekvivalentom predĺženej miechy u tohto druhu múch, a prinútila niektoré bezhlavé telá, aby vzlietli a odleteli preč. Veľmi ďaleko sa prirodzene nedostali. Týmito našimi prvými krokmi sa naštartovala oblasť optogenetiky. Teraz existujú stovky laboratórií využívajúcich tieto vedecké postupy.

Už sme prešli kus cesty od Galvaniho a Susaniných prvých úspechov, od zvierat, ktoré šklbnú končatinou a vyskakujú. Teraz môžme zasiahnuť do ich psychológie zložitejšími spôsobmi. To vám ukážem v mojom poslednom experimente, ktorý je zameraný na známu otázku. Život je sledom rozhodnutí vytvrárajúcich neustály tlak rozhodnúť sa, čo ďalej. S týmto tlakom sa vyrovnávame tak, že máme mozgy a v našich mozgoch centrá rozhodovania, ktoré som tu nazval Actor. Actor usktočňuje postup, ktorý berie do úvahy stav okolitého prostredia a kontext, v ktorom pôsobíme. Naše akcie menia prostredie, či kontext, a tieto zmeny sa opäť stávajú predmetom rozhodovania.

Aby sme do tohto abstraktného modelu dostali trochu neurobiológie, vytvorili sme jednoduchý, jednodimenzionálny svet pre naše najobľúbenejšie subjekty, octomilky. V každej komore v týchto dvoch vertikálnych stĺpikoch sa nachádza jeden jedinec. Pravá a ľavá polovica komory je naplnená odlišným zápachom a kamera sníma, ako jedince chodia hore a dolu medzi nimi. Tu je takýto videozáznam. Vždy, keď jedinec dosiahne stredný bod komory, kde sa stretávaú dva zápachy, musí sa rozhodnúť. Rozhodnúť sa, či sa otočí a zostane v rovnakom pachu alebo prejde hranicou a skúsi niečo nové. Takéto rozhodnutia sú odrazom toho, čo vykonáva Actor. Pre inteligentnú bytosť akou je naša mucha tento postup nie je vopred určený, ale mení sa tak, ako sa zviera učí zo skúseností. Môžme zahrnúť takýto prvok adaptívnej inteligencie do nášho modelu, ak predpokladáme, že mozog muchy neobsahuje len Actor, ale aj inú skupinu buniek, Critic, ktorá zabezpečuje sústavné hodnotenie Actorových rozhodnutí. Môžte si to predstaviť ako vnútorný hlas, ktorý vás komaduje, ako mozgový ekvivalent katolíckej cirkvi, ak ste Rakúšan ako ja, ako superego, ak ste stúpencom Freuda, a ako vašu matku, ak ste Žid.

(Smiech)

Takže zjavne, kritika je kľúčovou súčasťou toho, čo nás robí inteligentnými. Takže sme sa vydali hľadať tie bunky v mozgu muchy, ktoré hrali úlohu Critic-a. Logika nášho experimentu bola jednoduchá. Ak by sme mohli použiť našu optickú diaľkovú kontrolu na aktivovanie buniek Critic-a, mali by sme byť schopní, umelo, prinútiť Actora zmeniť jeho postup. Inými slovami, mucha by sa mala učiť z chýb, ktoré si myslí, že urobila ale v skutočnosti ich neurobila. Takže sme vychovali muchy, ktorých mozgy boli viac či menej náhodne okorenené svetlo citlivými bunkami. Potom sme zobrali tieto muchy a umožnili im rozhodovanie. A vždy, keď spravili jedno rozhodnutie, vybrali si jeden zápach, v tomto prípade modrý na úkor oranžového, zapli sme svetlo. Ak bol Critic medzi bunkami aktivovanými svetlom, výsledkom takéhoto zásahu by mala byť zmena ich postupu. Muchy by sa mali naučiť vyhýbať opticky posilnenému zápachu.

Tu máme dve situácie. Porovnávame dva druhy múch, každá z nich má v mozgu asi 100 svetlo citlivých buniek. Tu sú znázornené zeleným vľavo a vpravo. Čo majú tieto skupiny buniek spoločné je, že produkujú neurotransmiter dopamín. Ale identity individuálneho dopamín produkujúceho neurónu sú výrazne odlišné naľavo a vpravo. Svetlom aktivovaná približne stovka buniek u týchto dvoch druhov múch, má dramaticky odlišné dôsledky. Ak sa najprv pozriete na správanie muchy napravo, vidíte, že vždy keď dosiahne stred komory, kde sa stretávajú dva zápachy, vkročí doň, tak ako to robila predtým. Jej správanie je úplne nezmenené. Ale správanie muchy naľavo je úplne iné. Vždy keď príde do stredu, zastane, pozorne skúma hranice zápachov, akoby ovoniavala svoje okolie, a potom sa otočí naspäť. To znamená, že postup, ktorý Actor vykonáva teraz zahŕňa inštrukciu vyhnúť sa zápachu, ktorý je v pravej polovici komory. To znamená, že Critic, v tomto zvierati prehovoril, a že Critic musí byť obsiahnutý medzi dopamín produkujúcimi neurónmi vľavo, ale nie medzi dopamín produkujúcimi neurónmi vpravo.

Pomocou takýchto experimentov sme boli schopní upresniť identitu Critic-a na iba 12 buniek. Týchto 12 buniek, znázornených zelenou farbou, posiela výstup do mozgovej časti zvanej hubovité teleso, znázornenej sivou. Z nášho formálneho modelu vieme, že mozgová štruktúra na príjmajúcom konci Critic-a je Actor. Táto anatómia naznačuje, že hubovité telesá majú niečo dočinenia s rozhodovaním. Vzhľadom na to, čo o hubovitých telesách vieme, to dáva úplný zmysel. V skutočnosti, to dáva až taký zmysel, že môžeme skonštruovať elektronický obvod, ktorý simuluje správanie muchy. V tomto elektrickom obvode, sú neuróny hubovitéto telesa znázornené vertikálnou stenou modrých LED diód uprostred dosky. Tieto LED diódy sú zapojené k senzorom, ktoré zisťujú prítomnosť pachových molekúl vo vzduchu. Každý zápach aktivuje inú kombináciu senzorov, ktoré aktivujú odlišný detektor zápachu v hubovitom telese. Takže pilot v kokpite muchy, teda Actor, zistí, ktorý zápach je prítomný tým, že sa pozrie, ktorá z modrých LED diód svieti.

Čo Actor s touto informáciou vykoná závisí od jeho postupu, ktorý je uchovávaný v sile a počte spojení medzi detektormi pachu a motormi, ktoré spustia únikovú reakciu muchy. Ak je spojenie slabé, motory zostanú vypnuté a mucha bude pokračovať v jej smere. Ak je spojenie silné, motory sa zapnú a mucha sa otočí. Predstavte si situáciu, keď motory ostanú vypnuté a mucha pokračuje v jej smere a následne utrpí niečo bolestivé, niečo ju napríklad poraní. V takejto situácii by sme očakávali, že prehovorí Critic a povie Actor-ovi, aby zmenil svoj postup. Takúto situáciu sme navodili umelo zapnutím Critic-a zábleskom svetla. To spôsobilo zosilnenie spojení medzi práve aktívnym detektorom pachu a motormi. Takže nabudúce, keď bude mucha čeliť rovnakému zápachu, spojenie bude dostatočne silné, aby zaplo motory a spustilo únikový manéver.

Neviem ako vám, ale mne pripadá vzrušujúce, ako sa vágne psychologické poznatky rozplývajú a ustupujú fyzikálnemu, mechanistickému pochopeniu mysle, aj keď je to len myseľ muchy. Toto je jedna dobrá správa. Druhou dobrou správou je, že, prinajmenšom pre vedca, mnohé ešte treba odhaliť. V experimentoch, o ktorých som vám rozprával, sme odhalili identitu Critic-a, ale stále nemáme žiadnu predstavu, ako sám Critic funguje. Keď na to príde, ako zistíte, že sa mýlite bez učiteľa, či matky, ktorí vám to povedia? Je to problém. Určité predstavy v počítačovej vede a umelej inteligencii, nazačujú, ako by to mohlo fungovať, ale ešte sme nevyriešili jediný príklad toho, ako sa inteligentné správanie vynorí z fyziologickej interakcie v žijúcej hmote. Myslím, že to zistíme v nie tak ďalekej budúcnosti.

Ďakujem vám.

(Potlesk)