ABOUT THE SPEAKER
Michael Dickinson - Biologist
Most people are irritated by the buzzing of a fly's wings. But biologist Michael Dickinson views the sound with a deep sense of wonder.

Why you should listen

Some things are so commonplace that they barely register our attention. Michael Dickinson has dedicated much of his research to one such thing -- the flight of the fly. Dickinson aims to understand how a fly's nervous system allows it to accomplish such incredible aerodynamic feats. Affectionately dubbed the "Fly Guy" by The Scientist, Dickinson's research brings together zoology, neuroscience and fluid mechanics.

Dickinson was named a MacArthur Fellow in 2001. He is now a professor of biology at the University of Washington, where he heads The Dickinson Lab. The lab conducts research into insect flight control, animal brain recordings, animal/robot interactions and animal visual navigation and welcomes students with an interest in studying insect flight, behavior and evolution from an interdisciplinary approach perspective. 

More profile about the speaker
Michael Dickinson | Speaker | TED.com
TEDxCaltech

Michael Dickinson: How a fly flies

Michael Dickinson 談果蠅如何飛行

Filmed:
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昆蟲的飛行可能是演化中最重要的功績之一。Michael Dickinson 談家中常見的果蠅如何用精巧地翅膀飛行。這歸功於聰明的拍打動作和有力且靈活的飛行肌肉。但這一切的祕訣是:難以置信的果蠅大腦。(攝於 TEDxCaltech)
- Biologist
Most people are irritated by the buzzing of a fly's wings. But biologist Michael Dickinson views the sound with a deep sense of wonder. Full bio

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00:16
I grew成長 up watching觀看 Star Trek跋涉. I love Star Trek跋涉.
0
545
3532
我看著《星際爭霸戰》長大。
我超愛《星際爭霸戰》。
00:19
Star Trek跋涉 made製作 me want to see alien外僑 creatures生物,
1
4077
4462
《星際爭霸戰》讓我想要看外星生物,
00:24
creatures生物 from a far-distant遠遙遠 world世界.
2
8539
2303
從遙遠星球來的生物。
00:26
But basically基本上, I figured想通 out that I could find
3
10842
2787
但事實上,我發現我可以在地球上
00:29
those alien外僑 creatures生物 right on Earth地球.
4
13629
2977
找到這些外星生物。
00:32
And what I do is I study研究 insects昆蟲.
5
16606
2653
我所作的就是研究昆蟲。
00:35
I'm obsessed痴迷 with insects昆蟲, particularly尤其 insect昆蟲 flight飛行.
6
19259
3256
我迷上了昆蟲,
尤其是昆蟲飛行。
00:38
I think the evolution演化 of insect昆蟲 flight飛行 is perhaps也許
7
22515
3141
我認為昆蟲飛行的演化
00:41
one of the most important重要 events事件 in the history歷史 of life.
8
25656
2742
大概是生命史上最重要的事。
00:44
Without沒有 insects昆蟲, there'd這紅色 be no flowering開花 plants植物.
9
28398
2237
如果沒有昆蟲,
就不會有開花植物。
00:46
Without沒有 flowering開花 plants植物, there would be no
10
30635
1916
沒有開花植物,
就不會有聰明、
00:48
clever聰明, fruit-eating吃水果 primates靈長類動物 giving TEDTED Talks會談.
11
32551
3137
吃水果的靈長類在TED演講。
00:51
(Laughter笑聲)
12
35688
2300
(笑聲)
00:53
Now,
13
37988
1987
現在,
00:55
David大衛 and Hidehiko英彥 and KetakiKetaki
14
39975
3039
大衛、希地可和科踏希
00:58
gave a very compelling引人注目 story故事 about
15
43014
3445
說了一個很令人信服的故事,
01:02
the similarities相似之處 between之間 fruit水果 flies蒼蠅 and humans人類,
16
46459
2805
故事關於果蠅與人的相似處。
01:05
and there are many許多 similarities相似之處,
17
49264
1489
我們真的有許多相似之處,
01:06
and so you might威力 think that if humans人類 are similar類似 to fruit水果 flies蒼蠅,
18
50753
3002
所以你也許會認為
如果人跟果蠅是相似的,
01:09
the favorite喜愛 behavior行為 of a fruit水果 fly might威力 be this, for example --
19
53755
3797
那麼果蠅最喜歡的行為可能是這個
01:13
(Laughter笑聲)
20
57552
2282
(笑聲)
01:15
but in my talk, I don't want to emphasize注重 on the similarities相似之處
21
59834
3191
但在我的演講中,
我不想強調果蠅與人的相似之處,
01:18
between之間 humans人類 and fruit水果 flies蒼蠅, but rather the differences分歧,
22
63025
3067
我反而要談兩者間不同的部份,
01:21
and focus焦點 on the behaviors行為 that I think fruit水果 flies蒼蠅 excel高強 at doing.
23
66092
5287
而且我要強調果蠅擅長的行為。
01:27
And so I want to show顯示 you a high-speed高速 video視頻 sequence序列
24
71379
2856
所以我想要給你們看一段高速影片,
01:30
of a fly shot射擊 at 7,000 frames per second第二 in infrared紅外線 lighting燈光,
25
74235
3935
是在紅外光照明下
以每秒 7 千幅拍攝果蠅飛行的影片,
01:34
and to the right, off-screen關屏, is an electronic電子 looming若隱若現 predator捕食者
26
78170
4210
在右邊螢幕外,
有個電子虛擬獵食者
01:38
that is going to go at the fly.
27
82380
1435
會飛去捕食果蠅。
01:39
The fly is going to sense this predator捕食者.
28
83815
1838
果蠅會感受到這個獵食者。
01:41
It is going to extend延伸 its legs out.
29
85653
2455
牠會伸長它的腿。
01:44
It's going to sashay滑步而走 away
30
88108
1613
牠會以搖曳生姿飛走
01:45
to live生活 to fly another另一個 day.
31
89721
2565
然後多活一天。
01:48
Now I have carefully小心 cropped裁剪 this sequence序列
32
92286
2362
我仔細裁剪了這個影片
01:50
to be exactly究竟 the duration持續時間 of a human人的 eye blink,
33
94648
3160
讓他的速度跟
人類眨眼速度一樣,
01:53
so in the time that it would take you to blink your eye,
34
97808
2834
所以在你眨眼所需要的時間中,
01:56
the fly has seen看到 this looming若隱若現 predator捕食者,
35
100642
3265
果蠅會看到這個獵食者、
01:59
estimated預計 its position位置, initiated啟動 a motor發動機 pattern模式 to fly it away,
36
103907
6168
估計位置、開始運動並飛走,
02:05
beating跳動 its wings翅膀 at 220 times a second第二 as it does so.
37
110075
4464
以每秒拍動翅膀 220 次的速度飛走。
02:10
I think this is a fascinating迷人 behavior行為
38
114539
1973
我認為這是一個令人著迷的行為,
02:12
that shows節目 how fast快速 the fly's飛的 brain can process處理 information信息.
39
116512
3921
這表示果蠅的大腦
可以如此快速地處理資訊。
02:16
Now, flight飛行 -- what does it take to fly?
40
120433
2842
飛行需要什麼?
02:19
Well, in order訂購 to fly, just as in a human人的 aircraft飛機,
41
123275
2864
嗯,要能夠飛翔,
就得像人類的飛機一樣,
02:22
you need wings翅膀 that can generate生成 sufficient足夠 aerodynamic空氣動力學的 forces軍隊,
42
126139
2735
你需要可以產生
足夠空氣動力的翅膀,
02:24
you need an engine發動機 sufficient足夠 to generate生成 the power功率 required需要 for flight飛行,
43
128874
3546
你需要能夠產生
足夠飛行所需能量的發動機,
02:28
and you need a controller調節器,
44
132420
1709
且你需要一個控制器。
02:30
and in the first human人的 aircraft飛機, the controller調節器 was basically基本上
45
134129
2626
在人類第一架飛機上,控制器基本上是
02:32
the brain of Orville奧維 and Wilbur威爾伯 sitting坐在 in the cockpit座艙.
46
136755
4312
坐在駕駛艙的奧維爾和威爾伯的大腦。
02:36
Now, how does this compare比較 to a fly?
47
141067
2753
這跟果蠅比較起來是如何呢?
02:39
Well, I spent花費 a lot of my early career事業 trying to figure數字 out
48
143820
3251
嗯,我早期的研究
花了很多時間試圖找出
02:42
how insect昆蟲 wings翅膀 generate生成 enough足夠 force to keep the flies蒼蠅 in the air空氣.
49
147071
4336
昆蟲翅膀如何生成
足夠的能量使果蠅得以維持在空中。
02:47
And you might威力 have heard聽說 how engineers工程師 proved證實
50
151407
1610
你也許聽說過工程師如何證明
02:48
that bumblebees大黃蜂 couldn't不能 fly.
51
153017
2634
熊蜂飛不起來。
02:51
Well, the problem問題 was in thinking思維 that the insect昆蟲 wings翅膀
52
155651
2620
嗯,這個思考邏輯的問題是
02:54
function功能 in the way that aircraft飛機 wings翅膀 work. But they don't.
53
158271
3119
認為兩者翅膀的運作方式一樣。
但事實上不然。
02:57
And we tackle滑車 this problem問題 by building建造 giant巨人,
54
161390
2854
我們研究的方法是建造巨大模型,
03:00
dynamically動態 scaled縮放 model模型 robot機器人 insects昆蟲
55
164244
3432
按動態比例建造巨大機器昆蟲
03:03
that would flap拍打 in giant巨人 pools of mineral礦物 oil
56
167676
3336
並在礦物油巨型池當中拍打翅膀,
03:06
where we could study研究 the aerodynamic空氣動力學的 forces軍隊.
57
171012
2274
這樣我們可以研究空氣動力。
03:09
And it turns out that the insects昆蟲 flap拍打 their wings翅膀
58
173286
2158
我們發現昆蟲以
一種非常聰明的方法拍動翅膀,
03:11
in a very clever聰明 way, at a very high angle角度 of attack攻擊
59
175444
2592
有非常大的攻角,
03:13
that creates創建 a structure結構體 at the leading領導 edge邊緣 of the wing翅膀,
60
178036
3121
使翅膀前沿產生一個像龍捲風的結構
03:17
a little tornado-like龍捲風 structure結構體 called a leading領導 edge邊緣 vortex渦流,
61
181157
3199
叫作前緣渦,
03:20
and it's that vortex渦流 that actually其實 enables使 the wings翅膀
62
184356
2954
而且正是這個翅膀上的前緣渦
03:23
to make enough足夠 force for the animal動物 to stay in the air空氣.
63
187310
3359
讓動物能夠產生足以停留在空中的動力。
03:26
But the thing that's actually其實 most -- so, what's fascinating迷人
64
190669
2428
但是實際上迷人的
03:28
is not so much that the wing翅膀 has some interesting有趣 morphology形態學.
65
193097
2975
並不是這個構造有多稀奇。
03:31
What's clever聰明 is the way the fly flaps襟翼 it,
66
196072
3645
而是聰明的果蠅如何拍打它,
03:35
which哪一個 of course課程 ultimately最終 is controlled受控 by the nervous緊張 system系統,
67
199717
3136
這當然最終是
受中樞神經系統控制,
03:38
and this is what enables使 flies蒼蠅 to perform演出
68
202853
2647
而這也是果蠅可以執行
03:41
these remarkable卓越 aerial天線 maneuvers演習.
69
205500
2807
這些高超飛行技巧的原因。
03:44
Now, what about the engine發動機?
70
208307
2097
那麼引擎呢?
03:46
The engine發動機 of the fly is absolutely絕對 fascinating迷人.
71
210404
2492
果蠅的引擎絕對令人著迷。
03:48
They have two types類型 of flight飛行 muscle肌肉:
72
212896
1898
牠們有兩種類型的飛行肌:
03:50
so-called所謂 power功率 muscle肌肉, which哪一個 is stretch-activated牽張激活,
73
214794
2985
所謂的能量肌肉,這是牽張啟動,
03:53
which哪一個 means手段 that it activates激活 itself本身 and does not need to be controlled受控
74
217779
3726
也就是說它可以自我啟動
03:57
on a contraction-by-contraction收縮的收縮 basis基礎 by the nervous緊張 system系統.
75
221505
3339
不需要中樞神經
不斷收縮來控制。
04:00
It's specialized專門 to generate生成 the enormous巨大 power功率 required需要 for flight飛行,
76
224844
4609
這是由飛行所需
巨大的力量所專一化出來的,
04:05
and it fills填充 the middle中間 portion一部分 of the fly,
77
229453
2079
這肌肉充滿了果蠅中間的部分,
04:07
so when a fly hits點擊 your windshield擋風玻璃,
78
231532
1547
所以當一隻果蠅撞到你的擋風玻璃時,
04:08
it's basically基本上 the power功率 muscle肌肉 that you're looking at.
79
233079
2406
基本上你看到的
就是這些能量肌肉的動作。
04:11
But attached to the base基礎 of the wing翅膀
80
235485
2146
但在機翼的基部
04:13
is a set of little, tiny control控制 muscles肌肉
81
237631
2638
有一套小小的微型控制肌肉,
04:16
that are not very powerful強大 at all, but they're very fast快速,
82
240269
3301
它們不大有力但速度非常快,
04:19
and they're able能夠 to reconfigure重新配置 the hinge合頁 of the wing翅膀
83
243570
3206
它們能夠以每一拍擊為基礎
04:22
on a stroke-by-stroke行程通過行程 basis基礎,
84
246776
1762
重新配置機翼轉軸,
04:24
and this is what enables使 the fly to change更改 its wing翅膀
85
248538
3142
這使果蠅得以調整翅膀
04:27
and generate生成 the changes變化 in aerodynamic空氣動力學的 forces軍隊
86
251680
2971
來產生及更改空氣動力,
04:30
which哪一個 change更改 its flight飛行 trajectory彈道.
87
254651
2573
並連帶改變其飛行軌跡。
04:33
And of course課程, the role角色 of the nervous緊張 system系統 is to control控制 all this.
88
257224
3563
當然,中樞神經系統控制這一切。
04:36
So let's look at the controller調節器.
89
260787
1512
所以讓我們來看看控制器。
04:38
Now flies蒼蠅 excel高強 in the sorts排序 of sensors傳感器
90
262299
2647
果蠅在這方面
04:40
that they carry攜帶 to this problem問題.
91
264946
2284
有各種非常精巧的感應器。
04:43
They have antennae天線 that sense odors氣味 and detect檢測 wind detection發現.
92
267230
4127
牠們有天線可以感受氣味和風向。
04:47
They have a sophisticated複雜的 eye which哪一個 is
93
271357
1675
牠們有複雜的眼睛,
04:48
the fastest最快的 visual視覺 system系統 on the planet行星.
94
273032
2456
是這個星球上最快的視覺系統。
04:51
They have another另一個 set of eyes眼睛 on the top最佳 of their head.
95
275488
2036
牠們在頭頂上有另一對眼睛,
04:53
We have no idea理念 what they do.
96
277524
2052
但目前我們還不清楚它們的用處。
04:55
They have sensors傳感器 on their wing翅膀.
97
279576
2954
牠們的翅膀上有感應器。
04:58
Their wing翅膀 is covered覆蓋 with sensors傳感器, including包含 sensors傳感器
98
282530
3760
牠們的翅耪上充滿了感應器,
05:02
that sense deformation形變 of the wing翅膀.
99
286290
2046
包括感應機翼變形的感應器。
05:04
They can even taste味道 with their wings翅膀.
100
288336
2109
牠們甚至可以
用翅膀偵測味道。
05:06
One of the most sophisticated複雜的 sensors傳感器 a fly has
101
290445
2555
果蠅最複雜的感應器之一
05:08
is a structure結構體 called the haltereshalteres.
102
293000
1807
是一種被稱為「平衡棒」的構造。
05:10
The haltereshalteres are actually其實 gyroscopes陀螺儀.
103
294807
1879
平衡棒其實就是陀螺儀。
05:12
These devices設備 beat擊敗 back and forth向前 about 200 hertz赫茲 during flight飛行,
104
296686
4449
這個構造在飛行時
大約以 200 赫茲的速度擺動
05:17
and the animal動物 can use them to sense its body身體 rotation迴轉
105
301135
2673
使動物可以用它們偵測身體旋轉,
05:19
and initiate發起 very, very fast快速 corrective糾正的 maneuvers演習.
106
303808
3968
並啟動非常、非常快速地糾正動作。
05:23
But all of this sensory感覺的 information信息 has to be processed處理
107
307776
2329
但所有感官資訊
都需要經由大腦處理,
05:26
by a brain, and yes, indeed確實, flies蒼蠅 have a brain,
108
310105
3720
是的,果蠅有大腦的,
05:29
a brain of about 100,000 neurons神經元.
109
313825
3159
一個大約有 10 萬神經元的大腦。
05:32
Now several一些 people at this conference會議
110
316984
2193
已經有一些人在這次會議中
05:35
have already已經 suggested建議 that fruit水果 flies蒼蠅 could serve服務 neuroscience神經科學
111
319177
4808
提出果蠅可以作為神經科學的模型,
05:39
because they're a simple簡單 model模型 of brain function功能.
112
323985
3247
因為牠們具有簡單的大腦。
05:43
And the basic基本 punchline妙處 of my talk is,
113
327232
2077
然後我的演講的結語會是:
05:45
I'd like to turn that over on its head.
114
329309
2658
我想要直接反駁它。
05:47
I don't think they're a simple簡單 model模型 of anything.
115
331967
2628
我不認為牠們是任何東西的簡單模型。
05:50
And I think that flies蒼蠅 are a great model模型.
116
334595
2477
我認為果蠅是一個偉大的模型。
05:52
They're a great model模型 for flies蒼蠅.
117
337072
2516
牠們是為飛行而生的偉大模型。
05:55
(Laughter笑聲)
118
339588
2481
(笑聲)
05:57
And let's explore探索 this notion概念 of simplicity簡單.
119
342069
3003
且讓我們研究一下這種簡單的想法。
06:00
So I think, unfortunately不幸, a lot of neuroscientists神經學家,
120
345072
2431
所以我認為很多的神經學家
06:03
we're all somewhat有些 narcissistic自戀.
121
347503
1832
都不幸地有些自戀。
06:05
When we think of brain, we of course課程 imagine想像 our own擁有 brain.
122
349335
3433
當我們想到大腦時,
我們當然想自己的大腦。
06:08
But remember記得 that this kind of brain,
123
352768
1960
但請記住這種腦,
06:10
which哪一個 is much, much smaller
124
354728
1768
體積小很多很多的腦
06:12
instead代替 of 100 billion十億 neurons神經元, it has 100,000 neurons神經元
125
356496
2678
— 它沒有 1 千億神經元,它只有 1 萬神經元 —
06:15
but this is the most common共同 form形成 of brain on the planet行星
126
359174
2882
但這是這個星球上最常見的大腦形式
06:17
and has been for 400 million百萬 years年份.
127
362056
2904
而且已經存在 4 億年了。
06:20
And is it fair公平 to say that it's simple簡單?
128
364960
2288
說它簡單公平嗎?
06:23
Well, it's simple簡單 in the sense that it has fewer neurons神經元,
129
367248
2095
嗯,以神經元數量來說是簡單的,
06:25
but is that a fair公平 metric?
130
369343
1754
但這是一個公平的指標嗎?
06:26
And I would propose提出 it's not a fair公平 metric.
131
371097
2276
我認為這不是一個公平的指標。
06:29
So let's sort分類 of think about this. I think we have to compare比較 --
132
373373
3100
讓我們來想一想。
我們必須進行比較 ——
06:32
(Laughter笑聲) —
133
376473
1559
(笑聲) ——
06:33
we have to compare比較 the size尺寸 of the brain
134
378032
5121
我們要比較大腦大小
06:39
with what the brain can do.
135
383153
2030
與大腦可以做什麼。
06:41
So I propose提出 we have a Trump王牌 number,
136
385183
2881
假設我們有王牌數,
06:43
and the Trump王牌 number is the ratio of this man's男人的
137
388064
2865
王牌數是這個男人可以做的事
06:46
behavioral行為的 repertoire劇目 to the number of neurons神經元 in his brain.
138
390929
3679
跟大腦中神經元數目的比值。
06:50
We'll calculate計算 the Trump王牌 number for the fruit水果 fly.
139
394608
2668
我們也可以計算出果蠅的王牌號。
06:53
Now, how many許多 people here think the Trump王牌 number
140
397276
2684
現在,有多少人在這裡覺得果蠅的
06:55
is higher更高 for the fruit水果 fly?
141
399960
2489
王牌數會比較高?
06:58
(Applause掌聲)
142
402449
2431
(掌聲)
07:00
It's a very smart聰明, smart聰明 audience聽眾.
143
404880
3428
真是很聰明、很聰明的觀眾。
07:04
Yes, the inequality不等式 goes in this direction方向, or I would posit斷定 it.
144
408308
3327
雖然這比較不完全恰當,
但至少我認為是這樣的。
07:07
Now I realize實現 that it is a little bit absurd荒誕
145
411635
2382
好,我知道比較人和果蠅的行為
07:09
to compare比較 the behavioral行為的 repertoire劇目 of a human人的 to a fly.
146
414017
3558
是有點荒謬。
07:13
But let's take another另一個 animal動物 just as an example. Here's這裡的 a mouse老鼠.
147
417575
4143
但讓我們看另一種動物:一隻小鼠。
07:17
A mouse老鼠 has about 1,000 times as many許多 neurons神經元 as a fly.
148
421718
4305
一隻小鼠的神經元數目大約是果蠅的 1 千倍。
07:21
I used to study研究 mice老鼠. When I studied研究 mice老鼠,
149
426023
2027
我以前研究過小鼠。
當我還在研究小鼠時,
07:23
I used to talk really slowly慢慢地.
150
428050
2837
我講話速度慢很多。
07:26
And then something happened發生 when I started開始 to work on flies蒼蠅.
151
430887
2576
這在當我開始研究果蠅時產生了變化。
07:29
(Laughter笑聲)
152
433463
2412
(笑聲)
07:31
And I think if you compare比較 the natural自然 history歷史 of flies蒼蠅 and mice老鼠,
153
435875
3460
我覺得如果你比較果蠅和小鼠的自然史,
07:35
it's really comparable可比. They have to forage飼料 for food餐飲.
154
439335
3313
它們是可比的。
牠們都要覓食。
07:38
They have to engage從事 in courtship求愛.
155
442648
2447
牠們都要求愛。
07:40
They have sex性別. They hide隱藏 from predators大鱷.
156
445095
3471
牠們都會發生性關係。
牠們都要躲避獵食者。
07:44
They do a lot of the similar類似 things.
157
448566
1980
牠們做很多類似的事情。
07:46
But I would argue爭論 that flies蒼蠅 do more.
158
450546
1718
但我想說果蠅做更多。
07:48
So for example, I'm going to show顯示 you a sequence序列,
159
452264
3378
例如,我要給你們看一段影片,
07:51
and I have to say, some of my funding資金 comes from the military軍事,
160
455642
4205
我不得不說,
我的一些資金來源來自軍方,
07:55
so I'm showing展示 this classified分類 sequence序列
161
459847
2072
所以,我給你們這部機密影片,
07:57
and you cannot不能 discuss討論 it outside of this room房間. Okay?
162
461919
4093
請你們離開這裡後必須絕口不提。好嗎?
08:01
So I want you to look at the payload有效載荷
163
466012
1908
所以想要你們看看果蠅尾巴
08:03
at the tail尾巴 of the fruit水果 fly.
164
467920
3026
的有效載荷。
08:06
Watch it very closely密切,
165
470946
2101
仔細看,
08:08
and you'll你會 see why my six-year-old六十歲 son兒子
166
473047
4297
你們會懂為什麼我的六歲兒子
08:13
now wants to be a neuroscientist神經學家.
167
477344
4729
現在想要成為一個神經學家。
08:17
Wait for it.
168
482073
1179
等一下。
08:19
PshhewPshhew.
169
483252
1569
噓。
08:20
So at least最小 you'll你會 admit承認 that if fruit水果 flies蒼蠅 are not as clever聰明 as mice老鼠,
170
484821
3084
所以至少你們得承認,
如果果蠅沒有小鼠聰明,
08:23
they're at least最小 as clever聰明 as pigeons鴿子. (Laughter笑聲)
171
487905
4916
牠們至少達到鴿子的等級。
(笑聲)
08:28
Now, I want to get across橫過 that it's not just a matter of numbers數字
172
492821
3967
現在,我想要傳達的不只是數字,
08:32
but also the challenge挑戰 for a fly to compute計算
173
496788
2598
還有果蠅大腦要用少量神經元
08:35
everything its brain has to compute計算 with such這樣 tiny neurons神經元.
174
499386
2849
計算這所有資訊所面臨的挑戰。
08:38
So this is a beautiful美麗 image圖片 of a visual視覺 interneuron中間神經元 from a mouse老鼠
175
502235
2988
這是小鼠視覺中間神經元的美麗影像,
08:41
that came來了 from Jeff傑夫 Lichtman's里奇曼的 lab實驗室,
176
505223
2768
這來自傑夫·歷之曼的實驗室,
08:43
and you can see the wonderful精彩 images圖片 of brains大腦
177
507991
3247
你們可以看到他在他的演講中
08:47
that he showed顯示 in his talk.
178
511238
3193
使用的精彩大腦影像。
08:50
But up in the corner, in the right corner, you'll你會 see,
179
514431
2368
在右上角你們將看到,
08:52
at the same相同 scale規模, a visual視覺 interneuron中間神經元 from a fly.
180
516799
4112
在同樣的比例之下
一隻果蠅的視覺中間神經元。
08:56
And I'll expand擴大 this up.
181
520911
1841
我把這展開。
08:58
And it's a beautifully精美 complex複雜 neuron神經元.
182
522752
2170
它是一個精美複雜的神經元。
09:00
It's just very, very tiny, and there's lots of biophysical生物物理 challenges挑戰
183
524922
3485
它真是非常、 非常地小,
這必須克服許多生物物理的挑戰,
09:04
with trying to compute計算 information信息 with tiny, tiny neurons神經元.
184
528407
3623
才能用極為微小的神經元來計算資訊。
09:07
How small can neurons神經元 get? Well, look at this interesting有趣 insect昆蟲.
185
532030
3537
神經元能有多小?
那麼,讓我們看看這個有趣的昆蟲。
09:11
It looks容貌 sort分類 of like a fly. It has wings翅膀, it has eyes眼睛,
186
535567
2212
牠看起來有點像果蠅。牠有翅膀,牠有眼睛,
09:13
it has antennae天線, its legs, complicated複雜 life history歷史,
187
537779
2799
牠有天線,牠有腿,
也有複雜的生活史。
09:16
it's a parasite寄生物, it has to fly around and find caterpillars毛毛蟲
188
540578
3096
牠是一種寄生蟲,
牠要到處飛,並尋找毛毛蟲
09:19
to parasatizeparasatize,
189
543674
1382
當作寄主,
09:20
but not only is its brain the size尺寸 of a salt grain糧食,
190
545056
4115
牠的大腦很小,
09:25
which哪一個 is comparable可比 for a fruit水果 fly,
191
549171
1969
跟果蠅可相比較,
09:27
it is the size尺寸 of a salt grain糧食.
192
551140
2926
它也只有鹽粒大小。
09:29
So here's這裡的 some other organisms生物 at the similar類似 scale規模.
193
554066
3635
所以這裡是一些其它類似規模的物種。
09:33
This animal動物 is the size尺寸 of a paramecium草履蟲 and an amoeba阿米巴,
194
557701
4130
這個動物是草履蟲和變形蟲大小,
09:37
and it has a brain of 7,000 neurons神經元 that's so small --
195
561831
3880
牠的大腦大約有 7 千神經元 —
09:41
you know these things called cell細胞 bodies身體 you've been hearing聽力 about,
196
565711
2456
你知道有種叫做細胞體的東西,
09:44
where the nucleus of the neuron神經元 is?
197
568167
1651
就是神經元的細胞核所在的地方?
09:45
This animal動物 gets得到 rid擺脫 of them because they take up too much space空間.
198
569818
3460
這種動物沒有細胞體,
因為它們太佔空間了。
09:49
So this is a session會議 on frontiers前沿 in neuroscience神經科學.
199
573278
2473
這是神經科學研究的新領域。
09:51
I would posit斷定 that one frontier邊境 in neuroscience神經科學 is to figure數字 out how the brain of that thing works作品.
200
575751
5360
我認為神經科學其中
一個新領域就是要研究這類大腦的運作。
09:57
But let's think about this. How can you make a small number of neurons神經元 do a lot?
201
581111
5633
但讓我們想一想。
如何讓少量的神經元做很多事?
10:02
And I think, from an engineering工程 perspective透視,
202
586744
2522
我認為,從工程的角度看,
10:05
you think of multiplexing.
203
589266
1729
要多功能。
10:06
You can take a hardware硬件 and have that hardware硬件
204
590995
2703
你們可以拿一個硬體,並用該硬體
10:09
do different不同 things at different不同 times,
205
593698
1613
在不同的時間做不同的事情
10:11
or have different不同 parts部分 of the hardware硬件 doing different不同 things.
206
595311
2995
或用不同部分的硬體做不同的事情。
10:14
And these are the two concepts概念 I'd like to explore探索.
207
598306
3271
這些是我想要探討的兩個概念。
10:17
And they're not concepts概念 that I've come up with,
208
601577
1658
但不是我想出來的概念,
10:19
but concepts概念 that have been proposed建議 by others其他 in the past過去.
209
603235
4545
而是過去由其他人提出的概念。
10:23
And one idea理念 comes from lessons教訓 from chewing咀嚼 crabs螃蟹.
210
607780
3075
一個想法是來自於咀嚼螃蟹的經驗。
10:26
And I don't mean chewing咀嚼 the crabs螃蟹.
211
610855
1867
我不是指吃螃蟹。
10:28
I grew成長 up in Baltimore巴爾的摩, and I chew crabs螃蟹 very, very well.
212
612722
3599
我在巴爾的摩長大,
我非常、非常會吃螃蟹。
10:32
But I'm talking about the crabs螃蟹 actually其實 doing the chewing咀嚼.
213
616321
2857
但我說的螃蟹的咀嚼。
10:35
Crab螃蟹 chewing咀嚼 is actually其實 really fascinating迷人.
214
619178
2030
螃蟹的咀嚼實在令人著迷。
10:37
Crabs螃蟹 have this complicated複雜 structure結構體 under their carapace甲殼
215
621208
3259
螃蟹在其甲殼下有個複雜的結構
10:40
called the gastric胃的 mill
216
624467
1310
叫作胃磨機,
10:41
that grinds研磨物 their food餐飲 in a variety品種 of different不同 ways方法.
217
625777
2430
以各種不同方式磨牠們的食物。
10:44
And here's這裡的 an endoscopic內鏡 movie電影 of this structure結構體.
218
628207
5259
而這是內鏡下看到的這種結構的影片。
10:49
The amazing驚人 thing about this is that it's controlled受控
219
633466
2560
令人驚訝的是它是由一組非常小的神經元控制,
10:51
by a really tiny set of neurons神經元, about two dozen neurons神經元
220
636026
3432
約有 20 多個神經元可以
10:55
that can produce生產 a vast廣大 variety品種 of different不同 motor發動機 patterns模式,
221
639458
4963
產生多種不同的運動模式,
11:00
and the reason原因 it can do this is that this little tiny ganglion神經節
222
644421
4347
它可以這樣做的原因
是這個螃蟹身上的小小神經節
11:04
in the crab螃蟹 is actually其實 inundated淹沒 by many許多, many許多 neuromodulators神經調質.
223
648768
4184
實際上是被許多
神經調節物質所包圍。
11:08
You heard聽說 about neuromodulators神經調質 earlier.
224
652952
2141
你們剛剛已經聽過神經調節物質了。
11:10
There are more neuromodulators神經調質
225
655093
2225
這個結構中可以改變、支配神經元的
11:13
that alter改變, that innervate鼓起勇氣 this structure結構體 than actually其實 neurons神經元 in the structure結構體,
226
657318
5485
神經調節物質比
構造中的神經元還多,
11:18
and they're able能夠 to generate生成 a complicated複雜 set of patterns模式.
227
662803
4242
且它們能夠生成複雜的模式。
11:22
And this is the work by Eve前夕 Marder黃鼠狼 and her many許多 colleagues同事
228
667045
3441
這是由伊娃·碼德和
她許多同事們的研究,
11:26
who've誰一直 been studying研究 this fascinating迷人 system系統
229
670486
2295
他們研究這個有趣的系統,
11:28
that show顯示 how a smaller cluster of neurons神經元
230
672781
2152
可以說明一小群神經元如何
11:30
can do many許多, many許多, many許多 things
231
674933
1825
可以做很多、 很多、 很多的事情,
11:32
because of neuromodulation神經調節 that can take place地點 on a moment-by-moment每時每刻的情緒,時刻 basis基礎.
232
676758
4856
由於神經調節可以時時刻刻地進行。
11:37
So this is basically基本上 multiplexing in time.
233
681614
2439
所以這基本上是時間復用。
11:39
Imagine想像 a network網絡 of neurons神經元 with one neuromodulator神經調節.
234
684053
2785
想像一個只有一個神經調節物質的神經網絡。
11:42
You select選擇 one set of cells細胞 to perform演出 one sort分類 of behavior行為,
235
686838
3478
你選擇一組細胞執行一個行為、
11:46
another另一個 neuromodulator神經調節, another另一個 set of cells細胞,
236
690316
2618
另一個神經調節物質、另一組細胞、
11:48
a different不同 pattern模式, and you can imagine想像
237
692934
1713
另一種模式,你可以想像
11:50
you could extrapolate推斷 to a very, very complicated複雜 system系統.
238
694647
3878
你可以推到一個非常、 非常複雜的系統。
11:54
Is there any evidence證據 that flies蒼蠅 do this?
239
698525
2094
有任何證據說果蠅這麼做嗎?
11:56
Well, for many許多 years年份 in my laboratory實驗室 and other laboratories實驗室 around the world世界,
240
700619
3375
嗯,多年來在我和其它世界各地實驗室,
11:59
we've我們已經 been studying研究 fly behaviors行為 in little flight飛行 simulators模擬器.
241
703994
2648
我們在研究微小飛行模擬器的飛行行為。
12:02
You can tether系鏈 a fly to a little stick.
242
706642
1706
你可以將果蠅綁到小棒子上。
12:04
You can measure測量 the aerodynamic空氣動力學的 forces軍隊 it's creating創建.
243
708348
2501
你可以側量牠產生的空氣動力。
12:06
You can let the fly play a little video視頻 game遊戲
244
710849
2546
你可以讓果蠅玩個小遊戲,
12:09
by letting出租 it fly around in a visual視覺 display顯示.
245
713395
3878
讓牠在視覺影像間飛行。
12:13
So let me show顯示 you a little tiny sequence序列 of this.
246
717273
2337
讓我給你們看一個小小的影片。
12:15
Here's這裡的 a fly
247
719610
1227
這裡是一隻果蠅
12:16
and a large infrared紅外線 view視圖 of the fly in the flight飛行 simulator模擬器,
248
720837
3437
和一個大型飛行模擬的紅外視圖
12:20
and this is a game遊戲 the flies蒼蠅 love to play.
249
724274
1955
和這個果蠅喜歡玩的遊戲。
12:22
You allow允許 them to steer駕駛 towards the little stripe條紋,
250
726229
2437
你允許牠們飛向小條紋,
12:24
and they'll他們會 just steer駕駛 towards that stripe條紋 forever永遠.
251
728666
2825
牠們就會一直飛向那區。
12:27
It's part部分 of their visual視覺 guidance指導 system系統.
252
731491
3558
這是牠們視覺引導的一部份。
12:30
But very, very recently最近, it's been possible可能
253
735049
2345
但最近,已經可以藉由改變生理
12:33
to modify修改 these sorts排序 of behavioral行為的 arenas競技場 for physiologies生理機能.
254
737394
4940
來改變行為的範疇。
12:38
So this is the preparation製備 that one of my former前任的 post-docs博士後,
255
742334
2488
這是我之前一個博士後研究員的作法,
12:40
Gaby加比 Maimon邁蒙, who's誰是 now at Rockefeller洛克菲勒, developed發達,
256
744822
2443
蓋柏·買夢,他現在洛克菲勒,
12:43
and it's basically基本上 a flight飛行 simulator模擬器
257
747265
1686
他建造這個基本上是一種飛行模擬器,
12:44
but under conditions條件 where you actually其實 can stick an electrode電極
258
748951
3075
在實驗中你可以把電極置入
12:47
in the brain of the fly and record記錄
259
752026
2264
果蠅大腦中
12:50
from a genetically基因 identified確定 neuron神經元 in the fly's飛的 brain.
260
754290
3656
並從一個已被辨別基因的神經元中紀錄。
12:53
And this is what one of these experiments實驗 looks容貌 like.
261
757946
2298
這實驗看起來像這樣。
12:56
It was a sequence序列 taken採取 from another另一個 post-doc博士後 in the lab實驗室,
262
760244
2971
這是另一個
博士後研究員貝蒂娜·靴諾
12:59
Bettina貝蒂娜 Schnell施奈爾.
263
763215
1199
的實驗影片。
13:00
The green綠色 trace跟踪 at the bottom底部 is the membrane potential潛在
264
764414
3392
在底部的綠色是果蠅腦內的
13:03
of a neuron神經元 in the fly's飛的 brain,
265
767806
2030
一個神經元的膜電位。
13:05
and you'll你會 see the fly start開始 to fly, and the fly is actually其實
266
769836
2942
你們將看到果蠅開始飛,
13:08
controlling控制 the rotation迴轉 of that visual視覺 pattern模式 itself本身
267
772778
3279
且果蠅是靠自身翅膀運動來控制
13:11
by its own擁有 wing翅膀 motion運動,
268
776057
1479
視覺模式中的旋轉。
13:13
and you can see this visual視覺 interneuron中間神經元
269
777536
2110
你們可以看到這個視覺中間神經元
13:15
respond響應 to the pattern模式 of wing翅膀 motion運動 as the fly flies蒼蠅.
270
779646
3908
對果蠅翅膀運動作出回應。
13:19
So for the first time we've我們已經 actually其實 been able能夠 to record記錄
271
783554
2376
所以我們第一次實際記錄
13:21
from neurons神經元 in the fly's飛的 brain while the fly
272
785930
2908
果蠅執行像是飛行這樣的複雜行為時
13:24
is performing執行 sophisticated複雜的 behaviors行為 such這樣 as flight飛行.
273
788838
4468
腦內的神經元狀況。
13:29
And one of the lessons教訓 we've我們已經 been learning學習
274
793306
1855
我們一直在學習的是
13:31
is that the physiology生理 of cells細胞 that we've我們已經 been studying研究
275
795161
2420
我們多年來在靜止果蠅身上
13:33
for many許多 years年份 in quiescent flies蒼蠅
276
797581
2421
研究到的細胞生理
13:35
is not the same相同 as the physiology生理 of those cells細胞
277
800002
2648
與正在做一些像是
13:38
when the flies蒼蠅 actually其實 engage從事 in active活性 behaviors行為
278
802650
2736
飛行或行走等主動行為時的
13:41
like flying飛行 and walking步行 and so forth向前.
279
805386
2539
果蠅細胞生理是不同的。
13:43
And why is the physiology生理 different不同?
280
807925
2925
為什麼細胞生理會不同呢?
13:46
Well it turns out it's these neuromodulators神經調質,
281
810850
2057
事實是就是這些神經調節物質,
13:48
just like the neuromodulators神經調質 in that little tiny ganglion神經節 in the crabs螃蟹.
282
812907
3951
就像是在螃蟹神經節上
的神經調節物質一樣。
13:52
So here's這裡的 a picture圖片 of the octopamine章魚胺 system系統.
283
816858
2550
這是章魚涎胺系統的圖片。
13:55
Octopamine章魚胺 is a neuromodulator神經調節
284
819408
1754
章魚涎胺是一種神經調節物質,
13:57
that seems似乎 to play an important重要 role角色 in flight飛行 and other behaviors行為.
285
821162
4336
它似乎在飛行和其他行為中具有重要的功用。
14:01
But this is just one of many許多 neuromodulators神經調質
286
825498
2472
但這只是果蠅大腦裡多種
14:03
that's in the fly's飛的 brain.
287
827970
1071
神經調節物質的一種而已。
14:04
So I really think that, as we learn學習 more,
288
829041
2666
所以我真的認為,當我們瞭解更多後,
14:07
it's going to turn out that the whole整個 fly brain
289
831707
2527
我們會發現整個果蠅大腦
14:10
is just like a large version of this stomatogastricstomatogastric ganglion神經節,
290
834234
3089
就像這個放大版本的胃腸神經節,
14:13
and that's one of the reasons原因 why it can do so much with so few少數 neurons神經元.
291
837323
4360
這就是牠可以用
少量神經元執行大量功能的原因之一。
14:17
Now, another另一個 idea理念, another另一個 way of multiplexing
292
841683
2787
現在,另一個想法,另一種多工的方式
14:20
is multiplexing in space空間,
293
844470
1656
是在空間上的多工,
14:22
having different不同 parts部分 of a neuron神經元
294
846126
1694
讓神經元的不同部分
14:23
do different不同 things at the same相同 time.
295
847820
2122
在同一時間做不同的事情。
14:25
So here's這裡的 two sort分類 of canonical典範 neurons神經元
296
849942
1833
所以這裡是兩種典型的神經元排列,
14:27
from a vertebrate脊椎動物 and an invertebrate無脊椎動物,
297
851775
2285
一個是脊椎動物、
另一個是無脊椎動物,
14:29
a human人的 pyramidal金字塔 neuron神經元 from Ramon拉蒙 y Cajal卡哈爾,
298
854060
3250
從拉蒙·卡哈身上來的人類錐體神經元
14:33
and another另一個 cell細胞 to the right, a non-spiking非扣球 interneuron中間神經元,
299
857310
4003
和在右側的細胞是
無動作電位中間神經元,
14:37
and this is the work of Alan艾倫 Watson沃森 and Malcolm馬爾科姆 Burrows伯羅斯 many許多 years年份 ago,
300
861313
4147
這是很多年前,
艾倫 · 華生和瑪律科姆 · 巴路士的研究,
14:41
and Malcolm馬爾科姆 Burrows伯羅斯 came來了 up with a pretty漂亮 interesting有趣 idea理念
301
865460
3075
瑪律科姆 · 巴路士有一個很有趣的想法
14:44
based基於 on the fact事實 that this neuron神經元 from a locust刺槐
302
868535
2882
是基於這個來自於蝗蟲的神經元
14:47
does not fire action行動 potentials潛力.
303
871417
1959
不會觸發動作電位。
14:49
It's a non-spiking非扣球 cell細胞.
304
873376
1748
它是一個無動作電位細胞。
14:51
So a typical典型 cell細胞, like the neurons神經元 in our brain,
305
875124
2780
所以一個典型的細胞,
像我們的大腦中的神經元,
14:53
has a region地區 called the dendrites樹突 that receives收到 input輸入,
306
877904
2752
有個叫作樹突的部份會接收訊號,
14:56
and that input輸入 sums總和 together一起
307
880656
2589
這些訊號加總在一起
14:59
and will produce生產 action行動 potentials潛力
308
883245
2296
會產生動作電位,
15:01
that run down the axon軸突 and then activate啟用
309
885541
2331
這個電位會透過軸突傳遞然後
15:03
all the output產量 regions地區 of the neuron神經元.
310
887872
2296
啓動輸出區域的所有神經元。
15:06
But non-spiking非扣球 neurons神經元 are actually其實 quite相當 complicated複雜
311
890168
2876
但無動作電位神經元其實是相當複雜,
15:08
because they can have input輸入 synapses突觸 and output產量 synapses突觸
312
893044
3112
因為它們輸入突觸和輸出突觸合而為一,
15:12
all interdigitated叉指式, and there's no single action行動 potential潛在
313
896156
3663
但卻沒有單一的動作電位
15:15
that drives驅動器 all the outputs輸出 at the same相同 time.
314
899819
3126
可以在同一時間產生輸出。
15:18
So there's a possibility可能性 that you have computational計算 compartments車廂
315
902945
3907
所以你有可能有不同的計算區域
15:22
that allow允許 the different不同 parts部分 of the neuron神經元
316
906852
3978
使神經元的不同部分
15:26
to do different不同 things at the same相同 time.
317
910830
2560
在同一時間做不同的事情。
15:29
So these basic基本 concepts概念 of multitasking多任務處理 in time
318
913390
4671
這些基本的在時間上、
15:33
and multitasking多任務處理 in space空間,
319
918061
2361
空間上的多工處理,
15:36
I think these are things that are true真正 in our brains大腦 as well,
320
920422
2832
我認為在我們的大腦中也成立,
15:39
but I think the insects昆蟲 are the true真正 masters主人 of this.
321
923254
2577
但我認為昆蟲才是真正的行家。
15:41
So I hope希望 you think of insects昆蟲 a little bit differently不同 next下一個 time,
322
925831
3116
所以,我希望你能對昆蟲另眼相看,
15:44
and as I say up here, please think before you swat撲打.
323
928947
2935
正如我所說:
在打牠前請記得想想牠的神奇之處。
15:47
(Applause掌聲)
324
931882
2953
(掌聲)
Translated by Joan Liu
Reviewed by Hao-Wei Chang

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ABOUT THE SPEAKER
Michael Dickinson - Biologist
Most people are irritated by the buzzing of a fly's wings. But biologist Michael Dickinson views the sound with a deep sense of wonder.

Why you should listen

Some things are so commonplace that they barely register our attention. Michael Dickinson has dedicated much of his research to one such thing -- the flight of the fly. Dickinson aims to understand how a fly's nervous system allows it to accomplish such incredible aerodynamic feats. Affectionately dubbed the "Fly Guy" by The Scientist, Dickinson's research brings together zoology, neuroscience and fluid mechanics.

Dickinson was named a MacArthur Fellow in 2001. He is now a professor of biology at the University of Washington, where he heads The Dickinson Lab. The lab conducts research into insect flight control, animal brain recordings, animal/robot interactions and animal visual navigation and welcomes students with an interest in studying insect flight, behavior and evolution from an interdisciplinary approach perspective. 

More profile about the speaker
Michael Dickinson | Speaker | TED.com