Gero Mizenbek preuređuje mozak

Ja imam zlog dvojnika (Doppelganger). (Smeh) Dr Gero je sjajan ali pomalo lud naučnik iz Zmajeve kugle Z "Android Sage". Ako pogledate pažljivo, videćete da je njegova lobanja zamenjena providnim svodom od pleksiglasa kako bi rad njegovog mozga mogao biti posmatran i takođe kontrolisan svetlošću. To je upravo ono što ja radim -- optička kontrola misli.

(Smeh)

Ali za razliku od mog zlog blizanca, koji žudi za svetskom dominacijom, moji motivi nisu grešni. Ja kontrolišem mozak kako bih razumeo način na koji radi. Čekaj malo, možete reći, kako možeš ići pravo na kontrolisanje mozga ako ga prvenstveno ne razumeš? Zar to nije nešto kao uprezanje terentnih kola pre dovođenja konja? Mnogi neuronaučnici su saglasni sa ovim gledištem i misle da će razumevanje doći tek nakon detaljnih opservacija i analiza. Oni kažu, "Kada bismo mogli snimiti aktivnost neurona, razumeli bismo mozak." Ali razmislite na trenutak šta to znači. Čak i ukoliko bismo mogli da izmerimo šta svaka ćelija radi svo vreme, i dalje bismo morali da pronađemo smisao u modelima snimanih aktivnosti, a to je toliko komplikovano, šanse da razumemo te modele su jednako male koliko i razumevanje mozga koji ih produkuje.

Pogledajte kako bi moždana aktivnost mogla da izgleda. U ovoj simulaciji, svaka crna tačka predstavlja jednu nervnu ćeliju. Tačka je vidljiva kada god ćelija ispali električni impuls. Ovde je prikazano 10000 neurona. Tako da vi gledate, u gruboj proceni, jedan procenat mozga bubašvabe. Vaš mozak je oko 100 miliona puta komplikovaniji. Negde se nalazi model sličan ovom, tu ste vi, vaša percepcija, vaše emocije, pamćenje, vaši planovi za budućnost. Ali ne znamo gde, s obzirom da ne umemo da pročitamo te modele. Ne razumemo kod koji koristi naš mozak. Da bi napravili pomak, potrebno je da otkrijemo šifru. Ali kako? Iskusna osoba u dešifrovanju će vam reći da kako biste razumeli značenje simbola u šifri, morate biti u stanju da se igrate njima, da možete da ih reorganizujete. Tako, u ovoj situaciji takođe, da biste dekodirali informaciju sadržanu u ovakvom modelu, samo posmatranje neće pomoći; potrebno je da reorganizujemo model. Drugim rečima, umesto da snimamo aktivnost neurona, potrebno je da je kontrolišemo. Nije neophodno da možemo da kontrolišemo aktivnost svih neurona u mozgu, samo nekih. Mada što je veći deo zahvaćen našim intervencijama, tim bolje. I pokazaću vam za momenat kako možemo postići neophodnu preciznost.

I s obzirom na to da sam realističan, pre nego grandiozan, ne tvrdim da će mogućnost kontrole funkcija nervnog sistema odmah razotkriti sve misterije. Ali sigurno je da će se naučiti dosta. Ja sam bez sumnje prva osoba koja shvata moć ove vrste intervencija. Istorija pokušaja petljanja sa funkcijama nervnog sistema je dugačka i slavna. Datira oko 200 godina unazad, do čuvenih Galvanovih eksperimenata pri kraju XVIII veka i dalje. Galvan je pokazao da se noga žabe zgrči kada poveže lumbalni nerv sa izvorom električne struje. Ovaj eksperiment je otkrio prvu, i možda najbitniju, stvar o neuralnom kodu: da je informacija zapisana u formi električnih impulsa. Galvanov pristup stimuliranja nervnog sistema elektrodama je ostao dominantan pristup sve do danas, uprkos njegovim brojnim manama. Zabadanje žica u mozak je bez sumnje prilično surovo. Teško je da se to radi sa životinjama koje jure unaokolo, a tu je i fizički limit koji se odnosi na broj žica koje je moguće simultano priključiti.

Tako sam krajem prošlog veka, počeo da razmišljam, kako bi bilo divno kad bi neko mogao da izvrne ovu logiku. Tako da umesto ubacivanja žice u neku tačku mozga, rekonstruišemo sam mozak tako da neki od neuralnih elemenata postanu sposobni da odgovaraju na difuznu emisiju signala, kao što su to snopovi svetlosti. Takav pristup bi bukvalno, dok trepneš, prevazišao mnoge prepreke na putu do otkrića. Prvo, očigledno je neinvazivan, bežični oblik komunikacije. I drugo, baš kao i pri radio emitovanju, može se komunicirati sa mnogim prijemnicima odjednom. Nije potrebno da znate gde se nalaze primaoci. I nije važno ukoliko su ovi prijemnici u pokretu -- samo pomislite na muzički uređaj u svom autu. I postaje još i bolje, jer se ispostavlja da možemo proizvoditi prijemnike od materijala koji je kodiran u DNK. Tako će svaka nervna ćelija sa pravim genetičkim uređenjem spontano proizvoditi prijemnik koji će nam omogućiti da kontrolišemo njenu funkciju. Nadam se da ćete ceniti predivnu jednostavnost ovog koncepta. Ne postoje komplikovani visoko tehnološki koncepti, samo jednostavna biologija otkrivena biologijom.

Sada pogledajmo ove čudesne prijemnike izbliza. Ukoliko zumiramo jedan od ovih purpurnih neurona, videćemo da njegova spoljašnja membrana okovana mikroskopskim porama. Pore kao što su ove sakupljaju električnu struju i odgovorne su za ukupnu komunikaciju na nivou nervnog sistema. Ali ove pore ovde su specifične. One su spojene kako bi osvetlile receptore slično onima u vašim očima. Kada snop svetlosti pogodi receptor, pora se otvori i električna struja se uključi, i neuron ispaljuje električne impulse. I jer je svetlosno aktivirana pora kodirana u DNK, možemo postići neverovatnu preciznost. To je zbog toga što, iako svaka ćelija u našim telima sadrži iste setove gena, različiti miksovi gena se pale i gase u različitim ćelijama. Možete iskoristiti to kako biste se uverili da samo neki neuroni sadrže naše svetlosno aktivne pore dok druge ne sadrže. Tako na ovom crtežu, plavo bela ćelija u gornjem levom uglu ne reaguje na svetlost jer nema svetlosno aktivne pore. Ovaj pristup funkcioniše toliko dobro da možemo pisati čisto proizvoljne poruke direktno u mozak. U ovom primeru, svaki električni impuls, svako skretanje sa staze, uzrokovano je kratkim blokom svetlosti. A ovaj pristup takođe funkcioniše kod životinja u pokretu.

Ovo je prvi ovakav eksperiment, nešto kao optički ekvivalent Galvanu. Urađen je pre šest ili sedam godina od strane jedne moje svršene studentkinje, Suzane Lime. Suzana je preuredila voćnu mušicu sa leve strane tako da samo dve od 200 000 ćelija u mozgu iskazuju svetlosno aktivne pore. Poznate su vam ove ćelije jer su to one koje vas frustriraju kada pokušavate da je ubijete. One su uvežbale refleks za bežanje koji omogućava mušici da odleti kad god pomerite svoju ruku. I možete videti ovde da udar svetlosti ima isti efekat. Životinja skoči, raširi krila, vibrira njima, ali ne može zapravo otići, jer je zaglavljena između dve staklene ploče. Kako bi bila sigurna da ovo nije reakcija mušice na svetlost koju može videti, Suzana je uradila jednostavan ali brutalno efektan eksperiment. Odsekla je glave mušicama. Ova bezglava tela mogu živeti od prilike jedan dan, ali ne rade mnogo šta. Ona samo stoje naokolo i preterano se doteruju. Tako izgleda da je jedina osobina koja opstaje i nakon odsecanja glave sujeta. (Smeh) U svakom slučaju, kao što ćete videti za trenutak, Suzana je uspela da uključi motor za letenje onoga što je ekvivalent kičmenoj moždini kod ovih mušica i učini da se neka od ovih obezglavljenih tela zaista pokrenu i odlete. Nisu daleko odmakli, očigledno. Od kako smo načinili ove prve korake, polje optogenetike je "eksplodiralo". I danas postoje stotine laboratorija koje koriste ove pristupe.

I prešli smo dugačak put od Galvanovih i Suzaninih prvih uspeha vezanih za trzanje ili skakanje životinja. Sada možemo zaći u njihovu psihologiju na dublje načine kao što ću vam pokazati u svom poslednjem primeru koji je povezan sa nekim uobičajenim pitanjima. Život je niz izbora i vrši stalni pritisak na vas da odlučite šta da uradite sledeće. Borimo se sa ovim pritiskom tako što imamo mozgove, a unutar naših mozgova, imamo centre za donošenje odluka koje sam ovde nazvao "Operativac". Operativac sprovodi politiku koja uzima u obzir stanje okruženja i kontekst u kome deluje. Naše akcije menjaju sredinu, ili kontekst, i ove promene se tada vraćaju u središte odlučivanja.

Sada da stavimo malo neurobiološke mase na ovaj apstraktni model, konstruisaćemo jednostavan jednodimenzionalan svet za naše omiljene subjekte, voćne mušice. Svaka komora u ova dva vertikalna skladišta sadrže po jednu mušicu. Leva i desna polovina komora sadrže dve različite vrste mirisa, i sigurnosna kamera posmatra kako se mušice kreću između njih. Evo nekih snimaka tih kamera. Kad god bi mušica stigla do središta komore gde se susreću dve vrste mirisa, morala je da napravi izbor. Morala je da odluči da li da se okrene i ostane u istom mirisnom polju, ili da pređe središnju liniju i da proba nešto novo. Ove odluke su očito refleksija politike Operativca. E sada, za inteligentno biće kao što je naša mušica, politika nije nepromenljiva, već se menja pošto životinje uče iskustvom. Možemo uključiti taj element inteligencije prilagođavanja u naš model uz pretpostavku da mozak mušice sadrži ne samo Operativca, već i različite grupe ćelija, Kritiku, koja omogućava preispitivanje izbora koje pravi Opertivac. Možete razmišljati o ovom "džangrizavom" unutrašnjem glasu kao o vrsti moždanog ekvivalenta katoličke crkve, ukoliko ste iz Austrije kao ja, ili superega, ukoliko ste Frojdovac, ili vaše majke, ako ste Jevrej.

(Smeh)

Sada ozbiljno, kritika je ključni činilac koji nas čini inteligentnima. Tako smo krenuli da otkrijemo ćelije u mozgu mušice koje igraju ulogu Kritike. Logika našeg eksperimenta je bila jednostavna. Pomislili smo da ako bi bili u stanju da iskoristimo naš optički daljinski upravljač kako bismo aktivirali ćelije Kritike, mogli bismo, veštački, da isprovociramo Operativca da promeni politiku. Drugim rečima, mušica bi učila na greškama pomislila bi da je učinila nešto, što u stvarnosti nije. Tako smo svrstali mušice čiji su mozgovi bili manje ili više nasumično poprskani ćelijama - prijemnicima za svetlo. I tada smo uzeli te mušice i dozvolili im da naprave izbore. I kad god bi napravile jedan od dva izbora, izabrale jedan miris, u ovom slučaju ovaj plavi spram narandžastog, mi bismo promenili svetla. Da je kritika bila među optički aktiviranim ćelijama, rezultat ove intervencije bi trebalo da bude menjanje politike. Mušica bi naučila da izbegava optički pojačan miris.

Evo šta se dešava u dve situacije. Upoređujemo dve vrste mušica, svaka od njih ima oko 100 ćelija - prijemnika za svetlo u svojim mozgovima, što je prikazano zelenom bojom sa leve i desne strane. Ono što je zajedničko u ovim grupama ćelija jeste to da one sve produkuju neurotransmiter dopamin. Ali među samim neuronima koji proizvode dopamin postoje velike razlike, između ovih sa leve i ovih sa desne strane. Optički aktivirane ovih stotinu ćelija u dve vrste mušica, imaju dramatično različite posledice. Ako pogledate prvo ponašanje mušica na desnoj strani, možete videti da kad god stignu do središnje tačke komore gde se dva mirisa susreću, one prolaze pravo napred kao što su to činile i ranije. Njihovo ponašanje je u potpunosti nepromenjeno. Ali ponašanje mušica sa leve strane je različito. Kad god dođe do središnje tačke, zastane, pažljivo osmotri unutrašnjost tog dela mirisne komore, kao da njuši to okruženje, a potom se vraća nazad. Ovo znači da politika koju Operativac sada sprovodi uključuje i informaciju da izbegne miris koji je u desnoj strani komore. Ovo znači da je Kritika morala progovoriti u toj životinji, i da je Kritika sadržana unutar neurona koji produkuju dopamin sa leve strane, ali ne i među neuronima sa desne strane.

Kroz mnogo ovakvih eksperimenata, uspeli smo da suzimo identitet Kritike na samo 12 ćelija. Ovih 12 ćelija, kao što je pokazano zelenom bojom, su poslale izveštaj moždanoj strukturi koja se zove pečurkasto telo, i koja je ovde sive boje. Znamo iz našeg modela da je moždana struktura na kraju prijemnih komentara Kritike zapravo Operativac. Tako ova anatomija sugeriše da pečurkasta tela treba nešto da urade u akciji vršenja izbora. S obzirom na sve što znamo o pečurkastim telima, ovo savršeno ima smisla. Zapravo, ovo toliko ima smilsla, da možemo konstruisati električnu igračku koja simulira ponašanje mušice. U ovoj električnoj igrački neuroni pečurkastog tela su simbolizovani vertikalnim nagibom plave diode, na centru table. Ove diode su povezane sa senzorima koji detektuju prisustvo mirisnih molekula u vazduhu. Svaka vrsta mirisa aktivira različitu kombinaciju senzora, koji dalje aktiviraju različite detektore mirisa u pečurkastom telu. Tako pilot u pilotskoj kabini mušice, Operativac, može reći koji miris je prisutan jednostavnim pogledom na to koja je od plavih dioda upaljena.

Šta će Operativac uraditi sa tom informacijom zavisi od njegove politike, koja počiva na čvrstini veza, između detektora mirisa i motora koji pokreću mušicu na odlučujuću akciju. Ukoliko je veza slaba, motori će ostati isključeni i mušica će nastaviti pravo na svom kursu. Ako je veza jaka, motori će se uključiti i mušica će se okrenuti. Sada razmotrite situaciju u kojoj motori ostaju isključeni, i mušica nastavi svojom stazom i doživi neke bolne posledice kao recimo da bude uhvaćena. U ovakvoj situaciji, možemo očekivati da Kritika progovori i kaže Operativcu da promeni politiku. Kreirali smo veštačku situaciju pokrenuvši Kritiku snopom svetlosti. To je dovelo do jačanja veza između trenutno aktivnog detektora mirisa i motora. I tako se sledeći put mušica našla suočena ponovo sa istim mirisom, veza je dovoljno jaka da pokrene motore i da pokrene odlučujuću akciju.

Ne znam za vas, ali ja mislim da je prosvetljujuće kako maglovita psihološka zapažanja nestaju i ostavljaju prostor za fizička i mehanicistička objašnjenja uma, pa makar to bio i um mušice. Ovo je jedan deo dobrih vesti. Drugi deo dobrih vesti, makar i samo za naučnike, jeste to da je ostalo još mnogo toga da bude tek otkriveno. U eksperimentima o kojima sam vam govorio, uspeli smo da identifikujemo Kritiku, ali i dalje nemamo ideju kako ona radi svoj posao. Kada razmislite o tome, saznanje da ste pogrešili bez učitelja, ili majke da vam na to ukaže, veoma je velik problem. Postoje neke ideje u informatici i veštačkoj inteligenciji o tome kako je to moguće učiniti, ali još uvek nismo rešili ni jedan primer kako inteligentno ponašanje prelazi iz fizičke interakcije u živu materiju. Mislim da ćemo dobiti odgovore u bliskoj budućnosti.

Hvala vam.

(Aplauz)