TEDxCaltech
Michael Dickinson: How a fly flies
מיכאל דיקינסון: איך זבוב עף
Filmed:
Readability: 4.2
1,787,704 views
יכולת הטיסה של הזבוב היא אולי אחד המבצעים הגדולים של האבולוציה. מיכאל דיקינסון בוחן כיצד זבוב בית פשוט יוצא לטיסה עם כנפיים כל כך עדינות, הודות לתנועת נפנוף ושרירי טיסה שהם גם חזקים וגם קלי תנועה. אבל המרכיב הסודי: מוחו המופלא של הזבוב. (צולם ב-TEDxCaltech)
An insect's ability to fly is perhaps one of the greatest feats of evolution. Michael Dickinson looks at how a common housefly takes flight with such delicate wings, thanks to a clever flapping motion and flight muscles that are both powerful and nimble. But the secret ingredient: the incredible fly brain. (Filmed at TEDxCaltech.)
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. Full bio
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
Double-click the English transcript below to play the video.
00:16
I grew up watching Star Trek. I love Star Trek.
0
545
3532
גדלתי על צפייה ב"מלחמת הכוכבים". אני אוהב את "מלחמת הכוכבים".
00:19
Star Trek made me want to see alien creatures,
1
4077
4462
"מלחמת הכוכבים" גרמה לי לרצות לראות יצורים חייזריים,
00:24
creatures from a far-distant world.
2
8539
2303
יצורים מעולם הרחק מכאן.
00:26
But basically, I figured out that I could find
3
10842
2787
אבל בעיקרון, מצאתי שיכולתי למצוא
00:29
those alien creatures right on Earth.
4
13629
2977
יצורים חייזרים ממש על כדור הארץ.
00:32
And what I do is I study insects.
5
16606
2653
ומה שאני עושה, אני לומד על חרקים.
00:35
I'm obsessed with insects, particularly insect flight.
6
19259
3256
אני אובססיבי לחרקים, במיוחד טיסת חרקים.
00:38
I think the evolution of insect flight is perhaps
7
22515
3141
אני חושב שהאבולוציה של טיסת חרקים היא אולי
00:41
one of the most important events in the history of life.
8
25656
2742
אחד האירועים החשובים ביותר בהיסטוריה של החיים.
00:44
Without insects, there'd be no flowering plants.
9
28398
2237
ללא חרקים, לא יהיו צמחים בעלי פרחים.
00:46
Without flowering plants, there would be no
10
30635
1916
בלי צמחים בעלי פרחים, לא יהיו
00:48
clever, fruit-eating primates giving TED Talks.
11
32551
3137
פרימטים חכמים אוכלי פירות שמעבירים שיחות בTED.
00:51
(Laughter)
12
35688
2300
(צחוק)
00:53
Now,
13
37988
1987
עכשיו,
00:55
David and Hidehiko and Ketaki
14
39975
3039
דוד, והידיקיו וקטאקי
00:58
gave a very compelling story about
15
43014
3445
סיפרו סיפור מאוד משכנע אודות
01:02
the similarities between fruit flies and humans,
16
46459
2805
הדמיון בין זבובי פירות לבני אדם,
01:05
and there are many similarities,
17
49264
1489
ויש קווי דמיון רבים,
01:06
and so you might think that if humans are similar to fruit flies,
18
50753
3002
וכך אתם עשויים לחשוב שאם בני אדם דומים לזבובי פירות,
01:09
the favorite behavior of a fruit fly might be this, for example --
19
53755
3797
הפעולה האהוב של זבוב פירות עשוי להיות זו, לדוגמה-
01:13
(Laughter)
20
57552
2282
(צחוק)
01:15
but in my talk, I don't want to emphasize on the similarities
21
59834
3191
אך בשיחה שלי, איני רוצה להדגיש את קווי הדמיון
01:18
between humans and fruit flies, but rather the differences,
22
63025
3067
בין בני אדם לזבובי פירות, אלא דווקא את ההבדלים,
01:21
and focus on the behaviors that I think fruit flies excel at doing.
23
66092
5287
ולהתמקד על ההתנהגויות שאני חושב שזבובי הפירות מצטיינים בהן.
01:27
And so I want to show you a high-speed video sequence
24
71379
2856
אז אני רוצה להראות לכם רצף וידאו מהיר
01:30
of a fly shot at 7,000 frames per second in infrared lighting,
25
74235
3935
של צילום זבוב ב 7,000 מסגרות לשנייה בתאורת אינפרא-אדום,
01:34
and to the right, off-screen, is an electronic looming predator
26
78170
4210
מימין, מחוץ למסך, זהו טורף מאיים אלקטרוני
01:38
that is going to go at the fly.
27
82380
1435
שעומד לתקוף את הזבוב.
01:39
The fly is going to sense this predator.
28
83815
1838
הזבוב עומד לחוש את הטורף הזה.
01:41
It is going to extend its legs out.
29
85653
2455
הוא הולך למתוח את הרגליים שלו החוצה.
01:44
It's going to sashay away
30
88108
1613
הוא הולך להחליק משם
01:45
to live to fly another day.
31
89721
2565
לחיות כדי לעוף עוד יום.
01:48
Now I have carefully cropped this sequence
32
92286
2362
עכשיו אני חתכתי בזהירות את הרצף הזה
01:50
to be exactly the duration of a human eye blink,
33
94648
3160
כדי שיהיה בדיוק כמשך זמן של מצמוץ העין האנושית,
01:53
so in the time that it would take you to blink your eye,
34
97808
2834
כך שבזמן שייקח לכם להניד עפעף,
01:56
the fly has seen this looming predator,
35
100642
3265
הזבוב ראה את הטורף המאיים הזה,
01:59
estimated its position, initiated a motor pattern to fly it away,
36
103907
6168
העריך את מיקומו, יזם דגם מוטורי כדי להטיס אותו משם,
02:05
beating its wings at 220 times a second as it does so.
37
110075
4464
להכות בכנפיו במהירות של 220 פעמים בשניה כשהוא עושה זאת.
02:10
I think this is a fascinating behavior
38
114539
1973
אני חושב שזו התנהגות מרתקת
02:12
that shows how fast the fly's brain can process information.
39
116512
3921
שמראה כמה מהר מוחו של הזבוב יכול לעבד מידע.
02:16
Now, flight -- what does it take to fly?
40
120433
2842
כעת, טיסה--מה נדרש כדי לעוף?
02:19
Well, in order to fly, just as in a human aircraft,
41
123275
2864
ובכן, כדי לעוף, בדיוק כמו במטוס,
02:22
you need wings that can generate sufficient aerodynamic forces,
42
126139
2735
צריך כנפיים שיכולות לייצר מספיק כוחות אווירודינמיים,
02:24
you need an engine sufficient to generate the power required for flight,
43
128874
3546
צריך מנוע שיספיק לייצר את ההספק הדרוש לטיסה,
02:28
and you need a controller,
44
132420
1709
ואתה צריך בקר,
02:30
and in the first human aircraft, the controller was basically
45
134129
2626
ובמטוסים הראשון, הבקר היה בעצם
02:32
the brain of Orville and Wilbur sitting in the cockpit.
46
136755
4312
מוחם של אורוויל וויילבור שיושבים בתא הטייס.
02:36
Now, how does this compare to a fly?
47
141067
2753
כעת, כיצד ניתן להשוות זאת לזבוב?
02:39
Well, I spent a lot of my early career trying to figure out
48
143820
3251
ובכן, ביליתי הרבה זמן בתחילת הקריירה שלי, בנסיון להבין
02:42
how insect wings generate enough force to keep the flies in the air.
49
147071
4336
איך כנפי חרקים מפיקןת מספיק כוח כדי להחזיק את הזבובים באוויר.
02:47
And you might have heard how engineers proved
50
151407
1610
ואולי שמעתם כיצד מהנדסים הוכיחו
02:48
that bumblebees couldn't fly.
51
153017
2634
שדבורי הבומבוס לא יכלו לטוס.
02:51
Well, the problem was in thinking that the insect wings
52
155651
2620
ובכן, הבעיה היתה בחשיבה שכנפי החרק
02:54
function in the way that aircraft wings work. But they don't.
53
158271
3119
מתפקדות כמו כנפי מטוסים. אבל הן לא.
02:57
And we tackle this problem by building giant,
54
161390
2854
ואנו מתמודדים עם בעיה זו על-ידי בניית דגמי חרקים רובוטיים ענקיים,
03:00
dynamically scaled model robot insects
55
164244
3432
בעלי קנה מידה משתנה באופן דינמי
03:03
that would flap in giant pools of mineral oil
56
167676
3336
שידשדשו בבריכות ענק של שמן מינרלי
03:06
where we could study the aerodynamic forces.
57
171012
2274
מקום שבו נוכל ללמוד את הכוחות האווירודינמיים.
03:09
And it turns out that the insects flap their wings
58
173286
2158
ומסתבר כי חרקים טופחים בכנפיהם
03:11
in a very clever way, at a very high angle of attack
59
175444
2592
באופן חכם מאוד, בזווית התקפה גבוהה מאוד
03:13
that creates a structure at the leading edge of the wing,
60
178036
3121
שיוצרת מבנה בחוד החנית של הכנף,
03:17
a little tornado-like structure called a leading edge vortex,
61
181157
3199
מבנה קצת דמוי טורנדו שנקרא מובילי מערבולת קצה,
03:20
and it's that vortex that actually enables the wings
62
184356
2954
וזו המערבולת שמאפשרת למעשה לכנפיים
03:23
to make enough force for the animal to stay in the air.
63
187310
3359
להפיק מספיק כוח שמאפשר לבעל החיים להישאר באוויר.
03:26
But the thing that's actually most -- so, what's fascinating
64
190669
2428
אבל הדבר שלמעשה בעיקר – אז, מה שמרתק
03:28
is not so much that the wing has some interesting morphology.
65
193097
2975
הוא לא כל כך שלכנף יש איזושהי מורפולוגיה מעניינת.
03:31
What's clever is the way the fly flaps it,
66
196072
3645
מה שחכם הוא האופן שבו הזבוב מנפנף בכנפיים
03:35
which of course ultimately is controlled by the nervous system,
67
199717
3136
מה שכמובן בסופו של דבר הוא נשלט על ידי מערכת העצבים,
03:38
and this is what enables flies to perform
68
202853
2647
וזה מה שמאפשר לזבובים לבצע
03:41
these remarkable aerial maneuvers.
69
205500
2807
תמרונים אוויריים מדהימים אלה .
03:44
Now, what about the engine?
70
208307
2097
עכשיו, מה לגבי המנוע?
03:46
The engine of the fly is absolutely fascinating.
71
210404
2492
המנוע של הזבוב הוא בהחלט מרתק.
03:48
They have two types of flight muscle:
72
212896
1898
יש להם שני סוגים של שרירי טיסה:
03:50
so-called power muscle, which is stretch-activated,
73
214794
2985
מה שנקרא כוח השריר, אשר מופעל על-ידי מתיחה,
03:53
which means that it activates itself and does not need to be controlled
74
217779
3726
כלומר הוא מפעיל את עצמו ואינו צריך להיות נשלט
03:57
on a contraction-by-contraction basis by the nervous system.
75
221505
3339
על בסיס התכווצות אחר התכווצות על ידי מערכת העצבים.
04:00
It's specialized to generate the enormous power required for flight,
76
224844
4609
הוא התמחה לייצר כוח עצום הדרוש עבור טיסה,
04:05
and it fills the middle portion of the fly,
77
229453
2079
וממלא את חלקו האמצעי של הזבוב,
04:07
so when a fly hits your windshield,
78
231532
1547
כך שכאשר זבוב פוגע בשמשה הקדמית שלך,
04:08
it's basically the power muscle that you're looking at.
79
233079
2406
זהו בעצם כוח השריר שבו אתה מביט.
04:11
But attached to the base of the wing
80
235485
2146
אבל מחוברת לבסיס הכנף
04:13
is a set of little, tiny control muscles
81
237631
2638
יש ערכה של שרירי שליטה קטנים, זעירים,
04:16
that are not very powerful at all, but they're very fast,
82
240269
3301
שאינם חזקים מאוד בכלל, אבל הם מאוד מהירים,
04:19
and they're able to reconfigure the hinge of the wing
83
243570
3206
והם מסוגלים להגדיר מחדש את מפרק הכנף
04:22
on a stroke-by-stroke basis,
84
246776
1762
על בסיס מכה אחר מכה,
04:24
and this is what enables the fly to change its wing
85
248538
3142
וזה מה מאפשר לזבוב לשנות הכנף שלו
04:27
and generate the changes in aerodynamic forces
86
251680
2971
וליצור את השינויים בכוחות האווירודינמיים
04:30
which change its flight trajectory.
87
254651
2573
מה שמשנה את מסלול הטיסה שלו.
04:33
And of course, the role of the nervous system is to control all this.
88
257224
3563
וכמובן, תפקיד מערכת העצבים היא לפקח על כל זה.
04:36
So let's look at the controller.
89
260787
1512
אז בואו ונסתכל בבקר.
04:38
Now flies excel in the sorts of sensors
90
262299
2647
כעת זבובים מצטיינים בסוגי חיישנים
04:40
that they carry to this problem.
91
264946
2284
שהם נושאים לצורך בעיה זו.
04:43
They have antennae that sense odors and detect wind detection.
92
267230
4127
יש להם אנטנה שחשה ריחות, ומבחינה באיתור הרוח.
04:47
They have a sophisticated eye which is
93
271357
1675
יש להם עין מתוחכמת שהיא
04:48
the fastest visual system on the planet.
94
273032
2456
מערכת הראייה המהירה ביותר על פני כדור הארץ.
04:51
They have another set of eyes on the top of their head.
95
275488
2036
יש להם מערכת אחרת של עיניים בקצה הראש שלהם.
04:53
We have no idea what they do.
96
277524
2052
שאין לנו מושג מה הן עושות.
04:55
They have sensors on their wing.
97
279576
2954
יש להם חיישנים על הכנף שלהם.
04:58
Their wing is covered with sensors, including sensors
98
282530
3760
הכנף שלהם מכוסה בחיישנים, כולל חיישנים
05:02
that sense deformation of the wing.
99
286290
2046
שחשים עיוות של הכנף.
05:04
They can even taste with their wings.
100
288336
2109
הם יכולים גם לטעום עם כנפיהם.
05:06
One of the most sophisticated sensors a fly has
101
290445
2555
אחד החיישנים המתוחכמים ביותר שיש לזבוב
05:08
is a structure called the halteres.
102
293000
1807
הוא מבנה שנקרא משקולות.
05:10
The halteres are actually gyroscopes.
103
294807
1879
המשקולות הן למעשה ג'ירוסקופים.
05:12
These devices beat back and forth about 200 hertz during flight,
104
296686
4449
התקנים אלה מכים הלוך ושוב בתדר של כ- 200 הרץ במהלך הטיסה,
05:17
and the animal can use them to sense its body rotation
105
301135
2673
והחיה יכולה להשתמש בהם כדי לחוש את רוטצית הגוף שלה
05:19
and initiate very, very fast corrective maneuvers.
106
303808
3968
וליזום תמרונים מתקנים מהירים מאוד.
05:23
But all of this sensory information has to be processed
107
307776
2329
אבל את כל המידע החושי הזה יש לעבד
05:26
by a brain, and yes, indeed, flies have a brain,
108
310105
3720
על-ידי המוח, ועל כן, אכן, לזבובים יש מוח,
05:29
a brain of about 100,000 neurons.
109
313825
3159
מוח של כ-100,000 נוירונים .
05:32
Now several people at this conference
110
316984
2193
כעת מספר אנשים בכנס הזה
05:35
have already suggested that fruit flies could serve neuroscience
111
319177
4808
כבר הציעו שזבובי פירות יכולים לשמש במדעי המוח
05:39
because they're a simple model of brain function.
112
323985
3247
מאחר שהם מודל פשוט של תפקוד המוח.
05:43
And the basic punchline of my talk is,
113
327232
2077
ושורת המחץ הבסיסית של השיחה שלי היא,
05:45
I'd like to turn that over on its head.
114
329309
2658
הייתי רוצה להפוך זאת על הראש
05:47
I don't think they're a simple model of anything.
115
331967
2628
אני לא חושב שהם מודל פשוט של משהו.
05:50
And I think that flies are a great model.
116
334595
2477
ואני חושב שזבובים הם דגם מצוין.
05:52
They're a great model for flies.
117
337072
2516
הם דגם מצוין לזבובים.
05:55
(Laughter)
118
339588
2481
(צחוק)
05:57
And let's explore this notion of simplicity.
119
342069
3003
והבה ונחקור את המושג הזה של פשטות.
06:00
So I think, unfortunately, a lot of neuroscientists,
120
345072
2431
אז אני חושב, למרבה הצער, הרבה מדעני-מוח
06:03
we're all somewhat narcissistic.
121
347503
1832
אנחנו כולנו קצת נרקיסיסטים.
06:05
When we think of brain, we of course imagine our own brain.
122
349335
3433
כאשר אנחנו חושבים על המוח, אנחנו כמובן מדמיינים את המוח שלנו.
06:08
But remember that this kind of brain,
123
352768
1960
אך יש לזכור כי סוג זה של מוח,
06:10
which is much, much smaller
124
354728
1768
שהוא הרבה, הרבה יותר קטן
06:12
— instead of 100 billion neurons, it has 100,000 neurons —
125
356496
2678
— במקום 100 מיליארד נוירונים, יש לו 100,000 נוירונים —
06:15
but this is the most common form of brain on the planet
126
359174
2882
אבל זה הצורה הנפוצה ביותר של מוח על פני כדור הארץ
06:17
and has been for 400 million years.
127
362056
2904
כבר מזה 400 מיליון שנים.
06:20
And is it fair to say that it's simple?
128
364960
2288
והאם זה הוגן לומר שזה פשוט?
06:23
Well, it's simple in the sense that it has fewer neurons,
129
367248
2095
ובכן, זה פשוט במובן שיש בו פחות נוירונים ,
06:25
but is that a fair metric?
130
369343
1754
אבל האם זה מדד הוגן?
06:26
And I would propose it's not a fair metric.
131
371097
2276
והייתי מציע שהוא לא מדד הוגן.
06:29
So let's sort of think about this. I think we have to compare --
132
373373
3100
אז בואו ונחשוב על זה איכשהו. אני חושב שעלינו להשוות-
06:32
(Laughter) —
133
376473
1559
(צחוק) —
06:33
we have to compare the size of the brain
134
378032
5121
אנחנו צריכים להשוות את הגודל של המוח
06:39
with what the brain can do.
135
383153
2030
עם מה שהמוח יכול לעשות.
06:41
So I propose we have a Trump number,
136
385183
2881
אז אני מציע שיש לנו מספר טראמפ,
06:43
and the Trump number is the ratio of this man's
137
388064
2865
ומספר טראמפ הוא היחס של הרפרטואר
06:46
behavioral repertoire to the number of neurons in his brain.
138
390929
3679
ההתנהגותי של האיש למספר הנוירונים במוח שלו.
06:50
We'll calculate the Trump number for the fruit fly.
139
394608
2668
אנחנו נחשב את מספר טראמפ של זבוב הפירות.
06:53
Now, how many people here think the Trump number
140
397276
2684
עכשיו, כמה אנשים כאן חושבים שמספר טראמפ
06:55
is higher for the fruit fly?
141
399960
2489
הוא גבוה יותר עבור זבוב הפירות?
06:58
(Applause)
142
402449
2431
(מחיאות כפיים)
07:00
It's a very smart, smart audience.
143
404880
3428
זהו קהל חכם מאוד, חכם.
07:04
Yes, the inequality goes in this direction, or I would posit it.
144
408308
3327
כן, אי-השוויון הולך בכיוון זה, או שאניח אותו.
07:07
Now I realize that it is a little bit absurd
145
411635
2382
עכשיו אני מבין שזה קצת מגוחך
07:09
to compare the behavioral repertoire of a human to a fly.
146
414017
3558
להשוות את הרפרטואר התנהגותי של אדם לזבוב.
07:13
But let's take another animal just as an example. Here's a mouse.
147
417575
4143
אך בואו וניקח חיה אחרת רק כדוגמה. הנה עכבר.
07:17
A mouse has about 1,000 times as many neurons as a fly.
148
421718
4305
לעכבר יש בערך פי 1,000 יותר נוירונים מאשר לזבוב.
07:21
I used to study mice. When I studied mice,
149
426023
2027
נהגתי לחקור עכברים. כאשר למדתי על עכברים,
07:23
I used to talk really slowly.
150
428050
2837
נהגתי לדבר ממש לאט.
07:26
And then something happened when I started to work on flies.
151
430887
2576
ולאחר מכן משהו קרה כשהתחלתי לעבוד על זבובים.
07:29
(Laughter)
152
433463
2412
(צחוק)
07:31
And I think if you compare the natural history of flies and mice,
153
435875
3460
ואני חושב שאם משווים את ההסטוריה הטבעית של זבובים ועכברים
07:35
it's really comparable. They have to forage for food.
154
439335
3313
היא באמת ברת השוואה. הם צריכים לתור אחר מזון.
07:38
They have to engage in courtship.
155
442648
2447
הם צריכים לחזר אחר בני זוג.
07:40
They have sex. They hide from predators.
156
445095
3471
הם עושים סקס. הם מתחבאים מטורפים.
07:44
They do a lot of the similar things.
157
448566
1980
הם עושים הרבה דברים דומים.
07:46
But I would argue that flies do more.
158
450546
1718
אבל אני אטען שזבובים עושים יותר.
07:48
So for example, I'm going to show you a sequence,
159
452264
3378
כך למשל, אני עומד להראות לכם רצף,
07:51
and I have to say, some of my funding comes from the military,
160
455642
4205
ועלי לומר, שחלק מהמימון שלי מגיע מהצבא,
07:55
so I'm showing this classified sequence
161
459847
2072
אז אני מציג רצף מסווג זה
07:57
and you cannot discuss it outside of this room. Okay?
162
461919
4093
ואינכם יכולים לדון בו מחוץ לחדר זה. טוב?
08:01
So I want you to look at the payload
163
466012
1908
אז אני רוצה להסתכל על המטען
08:03
at the tail of the fruit fly.
164
467920
3026
שבזנב של זבוב הפירות.
08:06
Watch it very closely,
165
470946
2101
צפו בזה בתשומת לב,
08:08
and you'll see why my six-year-old son
166
473047
4297
ותראו למה הבן שלי בן השש,
08:13
now wants to be a neuroscientist.
167
477344
4729
עכשיו רוצה להיות מדען מוח.
08:17
Wait for it.
168
482073
1179
המתינו.
08:19
Pshhew.
169
483252
1569
פשיו.
08:20
So at least you'll admit that if fruit flies are not as clever as mice,
170
484821
3084
אז לפחות תודו שזבובי פירות אינם חכמים כמו עכברים
08:23
they're at least as clever as pigeons. (Laughter)
171
487905
4916
הם לפחות חכמים כמו יונים. (צחוק)
08:28
Now, I want to get across that it's not just a matter of numbers
172
492821
3967
עכשיו, אני רוצה להסביר שזה לא רק עניין של מספרים
08:32
but also the challenge for a fly to compute
173
496788
2598
אבל גם האתגר עבור הזבוב לחשב
08:35
everything its brain has to compute with such tiny neurons.
174
499386
2849
את כל מה שמוחו צריך לחשב עם נוירונים זעירים כאלה.
08:38
So this is a beautiful image of a visual interneuron from a mouse
175
502235
2988
אז זוהי תמונה יפה של נוירון מהאזור החזותי של עכבר
08:41
that came from Jeff Lichtman's lab,
176
505223
2768
שבא ממעבדת ג'ף ליכטמן,
08:43
and you can see the wonderful images of brains
177
507991
3247
אתם יכולים לראות את התמונות הנהדרות של מוחות
08:47
that he showed in his talk.
178
511238
3193
שהוא הראה בשיחה שלו.
08:50
But up in the corner, in the right corner, you'll see,
179
514431
2368
אך למעלה בפינה, בפינה הימנית, תראו,
08:52
at the same scale, a visual interneuron from a fly.
180
516799
4112
באותו קנה מידה, נוירון מהאזור החזותי של זבוב.
08:56
And I'll expand this up.
181
520911
1841
וארחיב זאת.
08:58
And it's a beautifully complex neuron.
182
522752
2170
וזה נוירון מורכב להפליא.
09:00
It's just very, very tiny, and there's lots of biophysical challenges
183
524922
3485
הוא פשוט מאוד מאוד זעיר, ויש המון אתגרים ביופיזיקליים
09:04
with trying to compute information with tiny, tiny neurons.
184
528407
3623
בנסיון לחשב מידע עם נוירונים קטנים, קטנטנים.
09:07
How small can neurons get? Well, look at this interesting insect.
185
532030
3537
עד כמה קטנים יכולים נוירונים להיות? ובכן, הביטו זה חרק מעניין.
09:11
It looks sort of like a fly. It has wings, it has eyes,
186
535567
2212
הוא נראה בערך כמו זבוב. יש לו כנפיים, יש לו עיניים,
09:13
it has antennae, its legs, complicated life history,
187
537779
2799
יש לו משושים, הרגליים שלו, סיפור חיים מסובך,
09:16
it's a parasite, it has to fly around and find caterpillars
188
540578
3096
זהו טפיל, עליו לעוף ולמצוא תולעים
09:19
to parasatize,
189
543674
1382
שישמשו לו כפונדקאים,
09:20
but not only is its brain the size of a salt grain,
190
545056
4115
אבל לא רק שמוחו שלו הוא בגודל של גרגר מלח,
09:25
which is comparable for a fruit fly,
191
549171
1969
בדומה לזבוב פירות,
09:27
it is the size of a salt grain.
192
551140
2926
הוא בגודל של גרגר מלח.
09:29
So here's some other organisms at the similar scale.
193
554066
3635
אז הנה כמה אורגניזמים אחרים בקנה מידה דומה.
09:33
This animal is the size of a paramecium and an amoeba,
194
557701
4130
בעל חיים זה הוא בגודל של סנדלית ושל אמבה,
09:37
and it has a brain of 7,000 neurons that's so small --
195
561831
3880
ויש לו מוח של 7,000 נוירונים שהוא כל כך קטן-
09:41
you know these things called cell bodies you've been hearing about,
196
565711
2456
אתם מכירים דברים אלה שנקראים גופי תא שמעתם עליהם
09:44
where the nucleus of the neuron is?
197
568167
1651
היכן שנמצא הגרעין של הנוירון?
09:45
This animal gets rid of them because they take up too much space.
198
569818
3460
בעל חיים זה נפטר מהם משום שהם תופסים מקום רב מדי.
09:49
So this is a session on frontiers in neuroscience.
199
573278
2473
אז זהו מפגש שמדבר על חזיתות בחקר המוח.
09:51
I would posit that one frontier in neuroscience is to figure out how the brain of that thing works.
200
575751
5360
אני מציג עמדה שטוענת שחזית אחת בחקר המוח היא להבין איך עובד המוח של הדבר הזה.
09:57
But let's think about this. How can you make a small number of neurons do a lot?
201
581111
5633
אבל בואו ונחשוב על זה. כיצד ניתן לגרום למספר קטן של נוירונים לעשות הרבה?
10:02
And I think, from an engineering perspective,
202
586744
2522
ואני חושב, מנקודת מבט הנדסית,
10:05
you think of multiplexing.
203
589266
1729
אתם חושבים על ריבוב.
10:06
You can take a hardware and have that hardware
204
590995
2703
ניתן לקחת חומרה, ולגרום לחומרה זו
10:09
do different things at different times,
205
593698
1613
לעשות דברים שונים בזמנים שונים,
10:11
or have different parts of the hardware doing different things.
206
595311
2995
או לגרום לחלקים שונים של החומרה לעשות דברים שונים.
10:14
And these are the two concepts I'd like to explore.
207
598306
3271
ואלה שני מושגים שאני רוצה לחקור.
10:17
And they're not concepts that I've come up with,
208
601577
1658
והם אינם מושגים שהמצאתי,
10:19
but concepts that have been proposed by others in the past.
209
603235
4545
אלא מושגים שהוצעו על-ידי אחרים בעבר.
10:23
And one idea comes from lessons from chewing crabs.
210
607780
3075
ורעיון אחד מגיע מנסיון של לעיסת סרטנים.
10:26
And I don't mean chewing the crabs.
211
610855
1867
ואני לא מתכוון ללעיסה של סרטנים.
10:28
I grew up in Baltimore, and I chew crabs very, very well.
212
612722
3599
גדלתי בבולטימור, ואני לועס סרטנים מאוד,טוב מאוד.
10:32
But I'm talking about the crabs actually doing the chewing.
213
616321
2857
אבל אני מדבר על סרטנים שמבצעים את פעולת הלעיסה.
10:35
Crab chewing is actually really fascinating.
214
619178
2030
לעיסת סרטנים היא למעשה באמת מרתקת.
10:37
Crabs have this complicated structure under their carapace
215
621208
3259
לסרטנים יש מבנה מורכב זה תחת השריון שלהם
10:40
called the gastric mill
216
624467
1310
שנקרא מטחנה קיבתית
10:41
that grinds their food in a variety of different ways.
217
625777
2430
שטוחנת את המזון במגוון דרכים שונות.
10:44
And here's an endoscopic movie of this structure.
218
628207
5259
והנה סרט אנדוסקופי של מבנה זה.
10:49
The amazing thing about this is that it's controlled
219
633466
2560
הדבר המדהים לגבי זה הוא שהוא נשלט
10:51
by a really tiny set of neurons, about two dozen neurons
220
636026
3432
על-ידי קבוצה של נוירונים ממש זעירים , כעשרים וארבעה נוירונים
10:55
that can produce a vast variety of different motor patterns,
221
639458
4963
שיכולים לייצר מגוון עצום של דפוסים מוטוריים שונים,
11:00
and the reason it can do this is that this little tiny ganglion
222
644421
4347
והסיבה לכך שהיא יכולה לעשות את זה היא שצביר זעיר זה
11:04
in the crab is actually inundated by many, many neuromodulators.
223
648768
4184
בסרטן למעשה מוצף על-ידי אפנני נוירונים רבים.
11:08
You heard about neuromodulators earlier.
224
652952
2141
שמעתם על אפנני נוירונים קודם לכן.
11:10
There are more neuromodulators
225
655093
2225
יש יותר אפנני נוירונים
11:13
that alter, that innervate this structure than actually neurons in the structure,
226
657318
5485
שמשנים, שמעצבבים מבנה זה מאשר למעשה נוירונים במבנה,
11:18
and they're able to generate a complicated set of patterns.
227
662803
4242
והם מסוגלים להפיק מערכת מסובכת של תבניות.
11:22
And this is the work by Eve Marder and her many colleagues
228
667045
3441
וזוהי העבודה של איב מרדר ועמיתיה הרבים
11:26
who've been studying this fascinating system
229
670486
2295
שכבר למדו את המערכת המרתקת הזו
11:28
that show how a smaller cluster of neurons
230
672781
2152
שמראה כיצד אשכול קטן יותר של נוירונים
11:30
can do many, many, many things
231
674933
1825
יכול לעשות הרבה, הרבה, הרבה דברים
11:32
because of neuromodulation that can take place on a moment-by-moment basis.
232
676758
4856
בגלל אפנני נוירונים שיכולים לקרות על בסיס של רגע לרגע.
11:37
So this is basically multiplexing in time.
233
681614
2439
אז זה הוא בעצם ריבוב בזמן.
11:39
Imagine a network of neurons with one neuromodulator.
234
684053
2785
תארו לעצמכם רשת נוירונים עם אפנן נוירוני אחד.
11:42
You select one set of cells to perform one sort of behavior,
235
686838
3478
אתם בוחרים מערכת אחת של תאים כדי לבצע סוג אחד של התנהגות,
11:46
another neuromodulator, another set of cells,
236
690316
2618
מאפנן עצב אחר, קבוצה אחרת של תאים,
11:48
a different pattern, and you can imagine
237
692934
1713
תבנית אחרת, ואתם יכולים לדמיין
11:50
you could extrapolate to a very, very complicated system.
238
694647
3878
אתם יכולים לגדל מערכת מאד,מאד מסובכת..
11:54
Is there any evidence that flies do this?
239
698525
2094
האם יש ראיות שזבובים עושים את זה?
11:56
Well, for many years in my laboratory and other laboratories around the world,
240
700619
3375
ובכן, במשך שנים רבות במעבדה שלי ובמעבדות אחרות ברחבי העולם,
11:59
we've been studying fly behaviors in little flight simulators.
241
703994
2648
אנחנו עוסקים בלמידת התנהגויות בסימולטורים תעופתיים קטנים.
12:02
You can tether a fly to a little stick.
242
706642
1706
ניתן לרתום זבוב למקל קטן.
12:04
You can measure the aerodynamic forces it's creating.
243
708348
2501
ניתן למדוד את הכוחות האווירודינמיים שהוא יוצר.
12:06
You can let the fly play a little video game
244
710849
2546
ניתן לתת לזבוב לשחק משחק וידאו קטן
12:09
by letting it fly around in a visual display.
245
713395
3878
על-ידי כך שמאפשרים לו לעוף בתצוגה חזותית.
12:13
So let me show you a little tiny sequence of this.
246
717273
2337
אז הרשו לי להראות לכם רצף קטן זעיר של זה.
12:15
Here's a fly
247
719610
1227
הנה זבוב
12:16
and a large infrared view of the fly in the flight simulator,
248
720837
3437
ומראה אינפרא-אדום גדול של הזבוב בסימולטור טיסה,
12:20
and this is a game the flies love to play.
249
724274
1955
וזה משחק שהזבובים אוהבים לשחק.
12:22
You allow them to steer towards the little stripe,
250
726229
2437
מאפשרים להם לנווט לכיוון פס קטן,
12:24
and they'll just steer towards that stripe forever.
251
728666
2825
הם פשוט ינווטו לכיוון הרצועה הזו לנצח.
12:27
It's part of their visual guidance system.
252
731491
3558
זה חלק ממערכת ההנחיה החזותית שלהם.
12:30
But very, very recently, it's been possible
253
735049
2345
אבל מאוד מאוד לאחרונה, התאפשר
12:33
to modify these sorts of behavioral arenas for physiologies.
254
737394
4940
לשנות מיני זירות התנהגותיות אלו לפיסיולוגיות.
12:38
So this is the preparation that one of my former post-docs,
255
742334
2488
אז זוהי ההכנה של אחד הפוסט-דוקטורט הקודמים שלי,
12:40
Gaby Maimon, who's now at Rockefeller, developed,
256
744822
2443
גבי מימון, שנמצא כעת ברוקפלר, פיתח,
12:43
and it's basically a flight simulator
257
747265
1686
וזה למעשה סימולטור טיסה
12:44
but under conditions where you actually can stick an electrode
258
748951
3075
אבל בתנאים שניתן למעשה לשתול אלקטרודה
12:47
in the brain of the fly and record
259
752026
2264
במוח הזבוב ולהקליט
12:50
from a genetically identified neuron in the fly's brain.
260
754290
3656
על פי נוירון שמזוהה גנטית במוחו של הזבוב.
12:53
And this is what one of these experiments looks like.
261
757946
2298
וכך נראה אחד מהניסויים האלה.
12:56
It was a sequence taken from another post-doc in the lab,
262
760244
2971
זה היה רצף שנלקח מפוסט-דוקטורט אחר במעבדה,
12:59
Bettina Schnell.
263
763215
1199
בטינה שנל.
13:00
The green trace at the bottom is the membrane potential
264
764414
3392
המעקב הירוק בתחתית הוא פוטנציאל הממברנה
13:03
of a neuron in the fly's brain,
265
767806
2030
של נוירון במוח של הזבוב,
13:05
and you'll see the fly start to fly, and the fly is actually
266
769836
2942
ותראו שהזבוב מתחיל לעוף, והזבוב למעשה
13:08
controlling the rotation of that visual pattern itself
267
772778
3279
שולט בסיבוב של התבנית החזותית עצמה
13:11
by its own wing motion,
268
776057
1479
על-ידי תנועת הכנף שלו,
13:13
and you can see this visual interneuron
269
777536
2110
ואתם יכולים לראות את תא הנוירון המתווך החזותי הזה
13:15
respond to the pattern of wing motion as the fly flies.
270
779646
3908
מגיב לתבנית של תנועת הכנף כשהזבוב עף.
13:19
So for the first time we've actually been able to record
271
783554
2376
אז בפעם הראשונה אנו למעשה כבר היינו מסוגלים להקליט
13:21
from neurons in the fly's brain while the fly
272
785930
2908
מנוירונים במוח של הזבוב בעודו
13:24
is performing sophisticated behaviors such as flight.
273
788838
4468
מבצע התנהגויות מתוחכמות כמו טיסה.
13:29
And one of the lessons we've been learning
274
793306
1855
אחד הלקחים שכבר למדנו
13:31
is that the physiology of cells that we've been studying
275
795161
2420
הוא שהפיזיולוגיה של התאים שכבר למדנו
13:33
for many years in quiescent flies
276
797581
2421
במשך שנים רבות בזבובים במנוחה
13:35
is not the same as the physiology of those cells
277
800002
2648
אינו זהה לפיזיולוגיה של תאים אלה
13:38
when the flies actually engage in active behaviors
278
802650
2736
כאשר הזבובים למעשה עסוקים בהתנהגויות פעילות
13:41
like flying and walking and so forth.
279
805386
2539
כמו טיסה והליכה, וכן הלאה.
13:43
And why is the physiology different?
280
807925
2925
ומהי הסיבה שהפיזיולוגיה שונה?
13:46
Well it turns out it's these neuromodulators,
281
810850
2057
ובכן מסתבר שאלה הם אפנני הנוירונים
13:48
just like the neuromodulators in that little tiny ganglion in the crabs.
282
812907
3951
בדיוק כמו אפנני העצבים בצביר הזעיר שבסרטנים.
13:52
So here's a picture of the octopamine system.
283
816858
2550
אז הנה תמונה של מערכת האוקטופמין.
13:55
Octopamine is a neuromodulator
284
819408
1754
אוקטופמין הוא אפנן נוירוני
13:57
that seems to play an important role in flight and other behaviors.
285
821162
4336
שנראה שהוא משחק תפקיד חשוב בטיסה ובהתנהגויות אחרות.
14:01
But this is just one of many neuromodulators
286
825498
2472
אבל זה רק אחד מתוך אפנני נוירון רבים
14:03
that's in the fly's brain.
287
827970
1071
שבמוחו של הזבוב.
14:04
So I really think that, as we learn more,
288
829041
2666
אז אני באמת חושב, שככל שאנו לומדים יותר,
14:07
it's going to turn out that the whole fly brain
289
831707
2527
ילך ויתברר שכל המוח של הזבוב
14:10
is just like a large version of this stomatogastric ganglion,
290
834234
3089
הוא בדיוק כמו גרסה גדולה של צביר סטומטוגסטרי זה,
14:13
and that's one of the reasons why it can do so much with so few neurons.
291
837323
4360
וזו אחת הסיבות מדוע הוא יכול לעשות כל כך הרבה
עם כל כך מעט נוירונים.
עם כל כך מעט נוירונים.
14:17
Now, another idea, another way of multiplexing
292
841683
2787
עכשיו, עוד רעיון, דרך נוספת לריבוב
14:20
is multiplexing in space,
293
844470
1656
היא ריבוב בחלל,
14:22
having different parts of a neuron
294
846126
1694
שיש בו חלקים שונים של נוירון
14:23
do different things at the same time.
295
847820
2122
לעשות דברים שונים באותו זמן.
14:25
So here's two sort of canonical neurons
296
849942
1833
אז הנה סוג של שני נוירונים קאנוניים
14:27
from a vertebrate and an invertebrate,
297
851775
2285
של בעלי חוליות, ושל חסרי חוליות,
14:29
a human pyramidal neuron from Ramon y Cajal,
298
854060
3250
נוירון פירמידלי אנושי מרמון וקז'אל,
14:33
and another cell to the right, a non-spiking interneuron,
299
857310
4003
ותא אחר מימין, תא עצב מתווך בלתי ממסמר
14:37
and this is the work of Alan Watson and Malcolm Burrows many years ago,
300
861313
4147
וזוהי העבודה של ווטסון אלן ומלקולם בורווז מלפני שנים רבות,
14:41
and Malcolm Burrows came up with a pretty interesting idea
301
865460
3075
ומלקולם בורוז בא עם רעיון מעניין למדי
14:44
based on the fact that this neuron from a locust
302
868535
2882
שהתבסס על העובדה שנוירון זה של ארבה
14:47
does not fire action potentials.
303
871417
1959
אינו מצית פוטנציאל פעולה.
14:49
It's a non-spiking cell.
304
873376
1748
זהו תא בלתי ממסמר.
14:51
So a typical cell, like the neurons in our brain,
305
875124
2780
אז לתא אופייני, כמו הנוירונים במוחנו,
14:53
has a region called the dendrites that receives input,
306
877904
2752
יש אזור שנקרא הדנדריטים שמקבל קלט,
14:56
and that input sums together
307
880656
2589
וקלט זה מסכם יחד
14:59
and will produce action potentials
308
883245
2296
וייצר פוטנציאלי פעולה
15:01
that run down the axon and then activate
309
885541
2331
שרצים מטה באקסון ולאחר מכן מפעילים
15:03
all the output regions of the neuron.
310
887872
2296
את כל אזורי הפלט של הנוירון.
15:06
But non-spiking neurons are actually quite complicated
311
890168
2876
אבל נוירונים בלתי ממוסמרים הינם למעשה מסובכים למדי
15:08
because they can have input synapses and output synapses
312
893044
3112
כי יכולים להיות להם סינפסות קלט או סינפסות פלט
15:12
all interdigitated, and there's no single action potential
313
896156
3663
כולם משולבים ואין פוטנציאל של פעולה בודדת
15:15
that drives all the outputs at the same time.
314
899819
3126
שמוביל את כל כל תוצרי הפלט באותו זמן.
15:18
So there's a possibility that you have computational compartments
315
902945
3907
אז יש אפשרות שיש לכם תאים חישוביים
15:22
that allow the different parts of the neuron
316
906852
3978
שמאפשרים לחלקים השונים של הנוירון
15:26
to do different things at the same time.
317
910830
2560
לעשות דברים שונים באותו זמן.
15:29
So these basic concepts of multitasking in time
318
913390
4671
אז מושגי יסוד אלה של ריבוי משימות בזמן
15:33
and multitasking in space,
319
918061
2361
וריבוי משימות בחלל,
15:36
I think these are things that are true in our brains as well,
320
920422
2832
לדעתי אלה הם דברים שהם נכונים גם במוחנו,
15:39
but I think the insects are the true masters of this.
321
923254
2577
אבל אני חושב שהחרקים הם המאסטרים האמיתיים של זה.
15:41
So I hope you think of insects a little bit differently next time,
322
925831
3116
אז אני מקווה שתחשבו מעט אחרת על חרקים בעתיד,
15:44
and as I say up here, please think before you swat.
323
928947
2935
וכפי שאמרתי כאן למעלה, בבקשה חישבו לפני שאתם חובטים בהם.
15:47
(Applause)
324
931882
2953
(מחיאות כפיים)
ABOUT THE SPEAKER
Michael Dickinson - BiologistMost 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.
Michael Dickinson | Speaker | TED.com