Majkl Dikinson (Michael Dickinson): Kako mušica leti

Odrastao sam gledajući Zvezdane staze. Obožavam Zvezdane staze. Zbog Zvezdanih staza sam poželeo da vidim vanzemaljska stvorenja, stvorenja iz jednog dalekog sveta. Ali sam, u suštini, otkrio da ta vanzemaljska bića mogu da nađem i ovde na Zemlji.

I ono što radim jeste da proučavam insekte. Opsednut sam insektima, posebno letom insekata. Mislim da je evolucija letenja insekata možda jedan od najvažnijih događaja u istoriji života. Bez insekata, biljke ne bi cvetale. Bez cvetova, ne bi bilo inteligentnih primata koji jedu voće i drže TED govore.

(Smeh)

Sada, Dejvid i Hidehiko i Ketaki su ispričali jednu veoma ubedljivu priču o sličnostima između vinskih mušica i ljudi, a postoji mnogo sličnosti, pa biste vi mogli da pomislite da je, ako su ljudi slični vinskim mušicama, primer omiljene aktivnosti vinske mušice, na primer, ovo - (Smeh) ali tokom mog govora ne želim da naglašavam sličnosti među ljudima i vinskim mušicama, već razlike i želim da se fokusiram na ponašanja u kojima su vinske mušice nenadmašive, koliko mislim.

Želim da vam pokažem ubrzani snimak mušice, snimljen sa 7.000 kadrova u sekundi, u infracrvenom osvetljenju. Sa desne strane, van ekrana, je skriveni elekronski grabljivac koji planira da napadne mušicu. Mušica će da oseti ovog grabljivca. Ispružiće noge. Odleteće na drugu stranu kako bi preživela da leti još jedan dan. Ja sam pažljivo isekao ovu sekvencu da bude tačno dužine trajanja treptaja ljudskog oka, tako da će za vreme koje bi vam bilo potrebno da trepnete, mušica primetiti preteću grabljivicu, proceniti njenu poziciju, pokrenuti motorički obrazac kako bi odletela, mašući krilima 220 puta u sekundi. Mislim da je ovo fascinantno ponašanje koje pokazuje brzinu kojom je mozak mušice sposoban da obradi informacije.

Sada, let - šta je potrebno da bismo leteli? Za let, baš kao i na ljudskim letelicama, potrebna su krila koja stvaraju dovoljno aerodinamičke sile, potreban je motor dovoljne jačine da stvori snagu potrebnu za let i potreban je upravljač, koji je u prvoj ljudskoj letelici u suštini bio mozak Orvila i Vilbura koji su sedeli u kokpitu.

Kako ovo možemo porediti sa mušicom? Na početku svoje karijere, proveo sam dosta vremena pokušavajući da oktrijem kako krila insekta stvaraju dovoljno sile da održe mušice u vazduhu. Možda ste čuli kako su inženjeri dokazali da bumbari ne mogu da lete. Problem je bio u tome što su mislili da krila insekta fukcionišu kao i krila aviona. Ali to nije tako. Prišli smo problemu tako što smo izgradili džinovski, srazmerni model robota insekta koji bi mahao krilima u velikim rezervoarima punim mineralnog ulja gde smo mogli da proučavamo aerodinamičke sile. Ispostavilo se da insekti mašu krilima na veoma domišljat način, pod velikim uglom koji stvara jednu strukturu na vodećoj ivici krila, malu strukturu nalik tornadu, koja se zove vir vodeće ivice, i upravo taj vir omogućava krilima da stvore dovoljno sile kako bi životinja ostala u vazduhu. Ali stvar koja je najfascinantija nije to što krila imaju neku zanimljivu strukturu. Ono što je domišljato jeste način na koji mušica njima maše, što je, naravno, pod kontrolom njihovog nervnog sistema i to je ono što omogućava mušicama da izvedu ove neverovatne vazdušne manevre.

A šta je sa motorom? Motor mušice je apsolutno fascinantan. One imaju dve vrste mišića za letenje: takozvane mišiće snage, koji se aktiviraju zatezanjem, što znači da se oni sami aktiviraju i nervni sistem ih ne mora kontrolisati od kontrakcije do kontrakcije. Ovaj mišić se usavršio za stvaranje ogromne snage potrebne za letenje i on se proteže središnjim delom mušice, tako da je u trenutku kada vam ona udari u vetrobran, ono što vidite u stvari snaga tog mišića. Ali pri korenu krila postoji skup malih, sitnih mišića za kontrolu koji uopšte nisu snažni, ali su veoma brzi i oni su sposobni da izmene položaj krila prilikom svakog zamaha i to omogućava mušici da pomera krila i stvara promene u aerodinamičkim silama koje menjaju putanju leta. I naravno, uloga nervnog sistema je kontrola svega ovoga.

Hajde da pogledamo kontroler. Mušice imaju razne vrste izvanrednih senzora kojima rešavaju ovaj problem. Imaju antene kojima osećaju mirise i kretanje vetra. Imaju istančano oko koje je najbrži vizuelni sistem na planeti. Imaju još jedan par očiju na vrhu glave. Nemamo pojma za šta ona služe. Imaju senzore na krilima. Krila su im pokrivena senzorima, uključujući i senzore za promene na krilima. Oni čak mogu i da osete ukuse sa krilima. Jedan od najistančanijih senzora na mušici je struktura po imenu "mutilice". Ove mutilice su u stvari žiroskopi. Ovi mehanizmi se kreću napred i nazad brzinom oko 200 herca tokom leta i životinja može da ih upotrebi da oseti rotaciju tela i započne veoma, veoma brze manevre za korekciju. Ali sve ove čulne informacije mora da obradi mozak, i da, zaista, mušice imaju mozak, mozak od oko 100.000 neurona.

Nekoliko ljudi na ovoj konferenciji je već izjavilo kako vinske mušice mogu da doprinesu neurologiji zbog jednostavnosti funkcija njihovog mozga. I glavna tačka mog govora jeste, da želim da opovrgnem ovu tvrdnju. Ja ne smatram da su one jednostavan model bilo čega. Mislim da su one izvanredan model. One su izvandredan model za mušice. (Smeh)

Hajde da ispitamo ovaj pojam jednostavnosti. Mislim da su mnogi neurolozi, nažalost, pomalo narcisoidni. Kada razmišljamo o mozgu, mi, naravno, zamišljamo sopstveni mozak. Ali setite se da je ovo samo jedna vrsta mozga koji je mnogo, mnogo manji - umesto 100 milijardi neurona, on ima 100.000 neurona - ali je ovo najuobičajeniji oblik mozga na planeti i bio je najuobičajeniji 400 miliona godina. Da li je fer onda reći da je jednostavan? Pa, jednostavan je u smislu da ima manje neurona, ali da li je to objektivna mera? Ja bih rekao da nije objektivna. Hajde da porazmislimo o sledećem. Mislim da treba da uporedimo - (Smeh) - da uporedimo veličinu mozga s onim šta mozak može da uradi. Pretpostavimo da postoji određeni broj za Donalda Trampa i da on označava srazmeru obrazaca ponašanja ovog čoveka i broja neurona u njegovom mozgu. Hajde da izračunamo tu brojku i za vinsku mušicu. Koliko vas misli da je ovaj broj veći kod vinske mušice?

(Aplauz)

Vi ste veoma pametna publika. Da, znak nejednakosti stoji ovako ili bih ja pretpostavio da tako stoji.

Shvatam da je pomalo apsurdno upoređivati obrasce ponašanja čoveka i mušice. Ali hajde da uzmemo jednu drugu životinju za primer. Recimo miša. Miš ima 1000 puta više neurona nego vinska mušica. Ja sam ranije proučavao miševe. I kada sam ih proučavao, imao sam običaj da pričam zaista sporo. I onda se nešto promenilo kada sam počeo da se bavim mušicama. (Smeh) Smatram da ako uporedimo prirodnu istoriju mušica i miševa, postoji sličnost. Oboje moraju da tragaju za hranom. Imaju rituale parenja. Pare se. Skrivaju se od grabljivica. Rade puno sličnih stvari. Ali bih ja rekao da mušice rade više. Pokazaću vam jednu sekvencu za primer, i moram vam napomenuti da deo finansija dobijam od vojske, stoga vam pokazujem ovu poverljivu sekvencu o kojoj ne smete raspravljati van ove prostorije. U redu? Želim da pogledate kolika je nosivost repa vinske mušice. Obratite pažnju i videćete zašto moj šestogodišnji sin odjednom želi da postane neurolog. Čekajte. Fijuu. Priznaćete da iako vinske mušice nisu pametnije od miševa, barem su onoliko pametne koliko i golubovi. (Smeh)

Hteo sam da vam pokažem da nisu u pitanju samo brojevi, nego i izazov za mušicu koja treba da proračuna sve to sa mozgom koji ima tako mali broj neurona. Ovo je jedna lepa slika vizuelnog međuneurona miša koja je potekla iz laboratorije Džefa Lihtmana i na kojoj možete da vidite predivne slike mozga koje je on pokazivao tokom svog govora. Ali gore u uglu, s desne strane, videćete u jednakoj razmeri, međuneuron mušice. Uvećaću vam ovo. To je jedan lep, složen neuron. Samo što je veoma, veoma sitan pa postoji mnogo biofizičkih izazova kada treba sa tako malim, malim neuronima proračunavati informacije.

Koliko sitni neuroni mogu da budu? Pogledajte ovog interesantnog insekta. Pomalo liči na mušicu. Ima krila, oči, antene, noge, komplikovanu životnu istoriju, parazit je, mora da leti naokolo i pronalazi gusenice na kojima se hrani, i ne samo da je njegov mozak veličine mrvice soli, što je uporedivo sa vinskom mušicom, nego je i sam veličine mrvice soli. Evo još nekih organizama iste veličine. Ova životinja je veličine paramecijuma i amebe i ima mozak sastavljen od 7000 neurona koji je toliko sitan - znate one stvari o kojima ste več čuli, a koje se zovu tela ćelije i u kojima se nalazi nukleus neurona? Ova životinja ih nema, jer zauzimaju previše mesta. Dakle, ovo je sesija o granicama neurologije. Jedna od njih je, po mom mišljenju, otkrivanje toga kako mozak ove životinje radi.

Ali porazmslimo o ovome. Kako možemo mali broj neurona naterati da rade mnogo toga? Sa stanovišta inženjera, smatram da ćete pomisliti na kompleksne procese. Uzmete jedan hardver i naterate ga da radi različite stvari u različito vreme ili njegove delove da rade različite stvari. Ovo su dva koncepta koja bih želeo da istražim. Ovo nisu koncepti koje sam ja smislio, nego koncepti koje su drugi predložili u prošlosti.

Jedna od ideja potiče od žvakanja kraba. I ne mislim na to da ja žvaćem krabe. Odrastao sam u Baltimoru i veoma, veoma dobro znam da žvaćem krabe. Govorim o krabama koje žvaću. Žvakanje kraba je u stvari veoma fascinantno. Krabe imaju jednu komplikovanu strukturu ispod svog oklopa koja se zove želudačni mlin koji melje hranu na različite načine. Evo endoskopskog snimka ove strukture. Neverovatna stvar u vezi sa ovim jeste što je ovo pod kontrolom veoma malog skupa neurona, oko dvadesetak njih, koji proizvode veliki broj različitih motornih obrazaca, a razlog zašto je ovo moguće jeste to, što je ovaj mali ganglion u krabi u stvari ispunjen mnogim, mnogim neuromodulatorima. Čuli ste već o neuromodulatorima. Postoji više neuromodulatora koji menjaju, oživljavaju ovu strukturu, nego što ima neurona u strukturi i oni su sposobni da stvore složene skupove šablona. Ovo je rad Iv Marder i njenih kolega koji su proučavali ovaj fascinantan sistem i koji je pokazao kako su mali skupovi neurona sposobni za mnogo, mnogo stvari zbog neuromodulacija koje se mogu desiti svake sekunde. Ovo su u suštini kompleksni procesi u vremenu. Zamislite mrežu neurona s jednim neuromodulatorom. Odaberete jedan skup ćelija zaduženih za jednu vrstu ponašanja, jedan drugi modulator, jedan drugi skup ćelija, različiti šablon i kao što možete da pretpostavite, ovako možete stvoriti jedan veoma, veoma složen sistem.

Da li postoji neki dokaz da su mušice sposobne da urade ovo? Dugi niz godina smo u mojoj i drugim laboratorijama širom sveta proučavali ponašanja mušica u malim simulatorima leta. Mušicu je moguće privezati na jedan štapić. I moguće je meriti aerodinamičke sile koje ona stvara. Možete joj dozvoliti da igra video igrice dopuštajući joj da leti naokolo na jednom vizuelnom displeju. Dozvolite mi da vam pokažem jedan deo snimka. Evo mušice i uvećani, infracrveni snimak leta mušice u simulatoru i ovo je igra koju mušica voli da igra. Dozvolili smo im da prate jednu malu prugu i one se kreću ka njoj zauvek. To je deo njihovog sistema za vizuelno upravljanje. Ali od nedavno, moguće je modifikovati ovakve prostore za ispitivanje fiziologije ponašanja. Ovo je projekat jednog od mojih bivših doktoranata, Gebija Mejmona, koji sada radi u Rokfeleru, i to je u suštini simulator leta, ali on omogućava postavljanje jedne elektrode u mozak mušice i snimanje iz perspektive neurona u mušicinom mozgu. Ovako izgleda jedan od ovih eksperimenata. Ovo je snimak jedne druge bivše doktorantkinje u laboratoriji, Betine Šnel. Zelena linija na dnu je membranski potencijal neurona u mozgu mušice i videćete, kada mušica krene da leti i kontroliše promenu vizuelnog šablona pomeranjem sopstvenih krila, možete da vidite reakciju ovog vizuelnog međuneurona na šablon pomeranja krila dok mušica leti. Ovo je bio prvi put kada smo u stvari uspeli da snimamo iz unutrašnjosti u mušicinom mozgu dok je mušica izvršavala sofisticirane kretnje kao što je let. I jedna od lekcija koju smo naučili jeste da je fiziologija ćelija koje smo proučavali dugi niz godina kod mušica u stanju mirovanja, nije ista kao fiziologija tih ćelija kada mušica u stvari vrši određenu akciju kao što je letenje, šetnja i slično. Zašto se fiziologija razlikuje? Ispostavilo se da su u pitanju neuromodulatori, baš kao i neuromodulatori u onom malom ganglionu kod kraba. Evo slike oktopaminskog sistema. Oktopamin je neuromodulator koji igra važnu ulogu pri letu i drugim aktivnostima. Ali ovo je samo jedan od mnogih neuromodulatora koji se nalaze u mozgu mušice. Zaista verujem, da će se, kako budemo napredovali sa saznanjima, ispostaviti da je ceo mozak mušice u stvari jedna veća verzija ovog stomačno-želudačnog gangliona i da je to uzrok tome što sa samo nekoliko neurona možemo da uradimo toliko toga.

Jedna druga ideja, jedan drugi način vršenja kompleksnih procesa, jeste njihova prostorna raspodela, zaduživanje različitih vrsta neurona za različite stvari, istovremeno. Evo dve vrste kanonskih neurona kod kičmenjaka i beskičmenjaka. Ljudski piramidalni neuron Ramona i Kahala, i još jedna ćelija sa desne strane međuneurona bez akcionog potencijala. uzetog iz jednog starijeg rada Alena Votsona i Malkolma Burouza. Malkolm Burouz imao je jednu veoma interesantnu ideju zasnovanu na činjenici da ovaj neuron koji potiče iz skakavca ne ispaljuje akcioni potencijal. To je ćelija bez akcionog potencijala. Dakle, obična ćelija, kao što su neuroni u našem mozgu ima oblast nazvanu dendriti, koja prima nadražaje i ti nadražaji se sabiraju i stvaraju akcioni potencijal koji prolazi kroz akson i aktivira izlazne regije neurona. Ali neuroni bez akcionog potencijala su u stvari poprilično složeni, jer su u njima ulazni i izlazni nadražaji povezani i ne postoji jedan jedinstveni akcioni potencijal koji pokreće sve izlazne informacije istovremeno. Zato je moguće da postoje različiti odeljci za obradu informacija, koji dopuštaju različitim delovima neurona da rade različite stvari istovremeno.

Dakle, ovi osnovni principi vršenja kompleksnih radnji u vremenu i prostoru se, mislim, odnose i na naš mozak, ali smatram da su insekti pravi gospodari ove veštine. Nadam se da ćete od sada misliti malo drugačije o insektima i kao što iza mene piše, molim vas, razmislite pre nego što ih spljeskate.

(Aplauz)