TEDGlobal 2010
Gero Miesenboeck: Re-engineering the brain
게로 미센복: 두뇌의 재설계
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두뇌에 대한 탐험 과정에서 많은 과학자들은 각각의 뉴런의 활동을 기록하는 믿을 수 없는 놀라운 시도들을 해왔다. 게로 미센복은 그와는 반대로 초파리가 빛을 수용하는 방식을 재설계 하는 일련의 멋진 실험들을 통해서 특정 뉴런이 어떤 역할을 수행하는지 정확히 파악하기 위해 뉴런을 조작하는 시도를 하였다.
Gero Miesenboeck - Optogeneticist
Using light and a little genetic engineering -- optogenetics -- Gero Miesenboeck has developed a way to control how living nerve cells work, and advanced understanding of how the brain controls behavior. Full bio
Using light and a little genetic engineering -- optogenetics -- Gero Miesenboeck has developed a way to control how living nerve cells work, and advanced understanding of how the brain controls behavior. Full bio
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I have a doppelganger.
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저에게는 분신이 하나 있습니다.
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(Laughter)
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3000
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(웃음)
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Dr. Gero is a brilliant
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게로 박사는 만화 드래곤볼 Z "안드로이드 사가"에 나오는
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but slightly mad scientist
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명석하지만
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in the "Dragonball Z: Android Saga."
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3000
살짝 미친 과학자죠.
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If you look very carefully,
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잘 살펴보시면,
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you see that his skull has been replaced
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게로 박사 머리가 투명한 유리 돔으로
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with a transparent Plexiglas dome
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되어 있어서
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so that the workings of his brain can be observed
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그의 뇌가 어떻게 돌아가는지 관찰할 수 있지요.
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and also controlled with light.
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그리고 빛으로 통제하는 것도 가능하답니다.
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That's exactly what I do --
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이게 제가 바로 하는 일입니다.
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optical mind control.
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즉, 광학적 마인드 컨트롤입니다.
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(Laughter)
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(웃음)
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But in contrast to my evil twin
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하지만 세계 정복 욕망을 불태우는
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who lusts after world domination,
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제 사악한 분신인 게로 박사와는 달리
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my motives are not sinister.
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제 동기는 나쁜 게 아니죠.
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I control the brain
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저는 뇌가 어떻게 돌아가는지
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in order to understand how it works.
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43000
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이해하기 위해 그걸 조종하는 것이니까요.
01:00
Now wait a minute, you may say,
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45000
2000
여기서 잠깐 여러분은 아마
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how can you go straight to controlling the brain
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47000
3000
뇌를 이해하지도 못했는데
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without understanding it first?
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2000
어떻게 뇌를 통제할 수 있는 걸로 넘어갔냐고 하실지도 모릅니다.
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Isn't that putting the cart before the horse?
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52000
3000
마치 말 앞에 마차를 두는것 같지 않냐고 하실 수도 있죠.
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Many neuroscientists agree with this view
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3000
많은 신경과학자들이 이러한 관점에 동의하고
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and think that understanding will come
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59000
3000
보다 정교한 관찰과 분석을 통해
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from more detailed observation and analysis.
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62000
3000
뇌를 이해할 수 있다고 합니다.
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They say, "If we could record the activity of our neurons,
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65000
4000
신경과학자들은, "우리가 뉴런의 활동을 기록할 수 있다면,
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we would understand the brain."
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69000
3000
뇌를 이해할 수 있을 것이다." 라고 합니다.
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But think for a moment what that means.
27
72000
3000
그러나 이것이 어떤 의미인지 잠시 생각해보면
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Even if we could measure
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75000
2000
만약 우리가 모든 세포들이 뭘 하고 있는지 항상
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what every cell is doing at all times,
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77000
2000
측정할 수 있다면
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we would still have to make sense
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79000
2000
기록된 활동 패턴을
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of the recorded activity patterns,
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81000
2000
우리가 이해할 수 있어야 한다는 말입니다.
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and that's so difficult,
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83000
2000
그건 정말 어려운 일입니다.
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chances are we'll understand these patterns
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85000
2000
우리가 이런 패턴을 이해할 수 있는 확률은
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just as little as the brains that produce them.
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87000
3000
두뇌가 그 패턴을 생산해내는 것 만큼이나 아주 희박하죠.
01:45
Take a look at what brain activity might look like.
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90000
3000
두뇌 활동이 어떻게 보이는지 한 번 보시죠.
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In this simulation, each black dot
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93000
2000
여기 시뮬레이션에서 보시는 각각의 검은 점은
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is one nerve cell.
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95000
2000
하나의 신경 세포입니다.
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The dot is visible
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97000
2000
이 점들은 각 세포가
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whenever a cell fires an electrical impulse.
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99000
2000
각 세포가 전기적 신호를 발화할 때마다 나타납니다.
01:56
There's 10,000 neurons here.
40
101000
2000
여기에는 만 개의 뉴런이 있는데,
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So you're looking at roughly one percent
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103000
2000
여러분이 보시는 건 바퀴벌레 뇌의
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of the brain of a cockroach.
42
105000
3000
대략 1%일 것입니다.
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Your brains are about 100 million times
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109000
3000
사람의 뇌는 이보다 약 1억 배 정도
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more complicated.
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112000
2000
더 복잡합니다.
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Somewhere, in a pattern like this,
45
114000
2000
이런 패턴의 어디가는
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is you,
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116000
2000
바로 여러분이죠.
02:13
your perceptions,
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118000
2000
여러분의 지각,
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your emotions, your memories,
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120000
3000
감정과 기억,
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your plans for the future.
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123000
2000
미래에 대한 계획 같은 것을 나타냅니다.
02:20
But we don't know where,
50
125000
2000
하지만 우리는 그게 어디인지 모릅니다.
02:22
since we don't know how to read the pattern.
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127000
3000
이런 패턴을 어떻게 읽어야 할지 모르기 때문입니다.
02:25
We don't understand the code used by the brain.
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130000
3000
우리는 뇌가 어떤 암호를 사용하는지 모릅니다.
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To make progress,
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133000
2000
그 이상을 알기 위해서는
02:30
we need to break the code.
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135000
2000
우리는 이 암호를 해독해야 하지요.
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But how?
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137000
2000
하지만 어떻게 해독해야 할까요?
02:35
An experienced code-breaker will tell you
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140000
2000
전문 암호해독자라면 여러분에게
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that in order to figure out what the symbols in a code mean,
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142000
3000
암호 속의 상징이 뭘 의미하는지 파악하기 위해서는
02:40
it's essential to be able to play with them,
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145000
3000
암호를 다룰 수 있는지와
02:43
to rearrange them at will.
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148000
2000
원하는 대로 재배열할 수 있는지가 중요하다고 할 겁니다.
02:45
So in this situation too,
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150000
2000
그래서 이 경우에도
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to decode the information
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152000
2000
이와 같은 패턴을 갖고 있는
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contained in patterns like this,
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154000
2000
정보를 해독하기 위해서는
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watching alone won't do.
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156000
2000
관찰하는 것만으로는 부족하고
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We need to rearrange the pattern.
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158000
2000
그 패턴을 재배열해봐야 합니다.
02:55
In other words,
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160000
2000
다시 말하면,
02:57
instead of recording the activity of neurons,
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162000
2000
뉴런의 활동을 기록하는 대신
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we need to control it.
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164000
2000
통제해야 하는 거죠.
03:01
It's not essential that we can control
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166000
2000
뇌 안의 모든 뉴런의 활동을
03:03
the activity of all neurons in the brain, just some.
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168000
3000
제어할 필요는 없고 그저 일부만 통제해 보면 됩니다.
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The more targeted our interventions, the better.
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171000
2000
좀 더 잘 제어된 통제라면 더욱 좋겠죠.
03:08
And I'll show you in a moment
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173000
2000
제가 잠시 후에 여러분께 보여드릴 것은
03:10
how we can achieve the necessary precision.
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175000
3000
우리가 어떻게 필요한 정밀도를 달성할 수 있냐는 겁니다.
03:13
And since I'm realistic, rather than grandiose,
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178000
3000
저는 그럴싸하게 부풀려 말하기보다 현실적으로 말하는 편이라서
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I don't claim that the ability to control the function of the nervous system
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181000
3000
신경계의 기능을 조절하는 능력이
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will at once unravel all its mysteries.
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184000
3000
모든 미스테리를 즉각 풀어줄 거라고는 말하지 않겠습니다.
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But we'll certainly learn a lot.
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187000
3000
그러나 우리는 확실히 많은 것을 배울 겁니다.
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Now, I'm by no means
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192000
2000
음, 저는 이러한 제어 방법이
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the first person to realize
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194000
2000
얼마나 강력한 수단인지
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how powerful a tool intervention is.
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196000
3000
발견한 첫번째 사람은 아닙니다.
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The history of attempts
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199000
2000
신경계의 기능을
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to tinker with the function of the nervous system
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201000
2000
자극시켜 보는 시도는 사실
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is long and illustrious.
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203000
2000
꽤 오래 되었고 잘 알려져 있는 것이죠.
03:40
It dates back at least 200 years,
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205000
3000
적어도 200년 전으로 돌아가 보면
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to Galvani's famous experiments
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208000
2000
18세기 후반에 갈바니의 (갈바니: 이탈리아의 생리학자·물리학자)
03:45
in the late 18th century and beyond.
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210000
3000
유명한 실험이 있었죠.
03:49
Galvani showed that a frog's legs twitched
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214000
3000
갈바니는 개구리의 요추신경에 전류를 연결시켰을 때
03:52
when he connected the lumbar nerve
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217000
2000
개구리 다리가 꿈틀거린다는 것을
03:54
to a source of electrical current.
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219000
3000
실험을 통해 보여줬죠.
03:57
This experiment revealed the first, and perhaps most fundamental,
89
222000
3000
이 실험은 최초로 그리고 아마도 가장 근본적인
04:00
nugget of the neural code:
90
225000
2000
신경 코드에 대한 개념을 보여주었습니다.
04:02
that information is written in the form
91
227000
2000
즉, 정보가 전기 자극의
04:04
of electrical impulses.
92
229000
3000
형태로 쓰여져 있다는 것을 말입니다.
04:08
Galvani's approach
93
233000
2000
전극을 갖고 있는 신경계를 규명하려는
04:10
of probing the nervous system with electrodes
94
235000
2000
갈바니의 시도는
04:12
has remained state-of-the-art until today,
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237000
3000
오늘날까지도 예술과 같은 경지로 여겨집니다.
04:15
despite a number of drawbacks.
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240000
3000
몇 가지 결점에도 불구하고 말이죠.
04:18
Sticking wires into the brain is obviously rather crude.
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243000
3000
뇌에 전선을 붙이는 것은 분명 좀 엉성할 겁니다.
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It's hard to do in animals that run around,
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246000
2000
여기저기 뛰어다니는 동물한테 그러기도 어렵거니와
04:23
and there is a physical limit
99
248000
2000
동시에 꽂을 수 있는
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to the number of wires
100
250000
2000
전선 개수에도
04:27
that can be inserted simultaneously.
101
252000
3000
실질적인 한계가 있습니다.
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So around the turn of the last century,
102
255000
2000
그래서 지난 세기가 넘어갈 무렵
04:32
I started to think,
103
257000
2000
저는 이런 생각을 했죠.
04:34
"Wouldn't it be wonderful if one could take this logic
104
259000
3000
이 논리를 뒤집어서 생각해보면
04:37
and turn it upside down?"
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262000
2000
멋지지 않을까 하고 말입니다.
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So instead of inserting a wire
106
264000
2000
그래서 뇌의 한 부분에
04:41
into one spot of the brain,
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266000
3000
전선을 삽입하는 대신
04:44
re-engineer the brain itself
108
269000
2000
뇌 자체를 재설계하는 겁니다.
04:46
so that some of its neural elements
109
271000
3000
신경 요소 일부가
04:49
become responsive to diffusely broadcast signals
110
274000
3000
방산되는 신호에 자극할 수 있도록 말입니다.
04:52
such as a flash of light.
111
277000
3000
예를 들어 빛을 쪼이는 것 같은 거죠.
04:55
Such an approach would literally, in a flash of light,
112
280000
3000
말 그대로 빛을 쪼이는 이러한 시도는
04:58
overcome many of the obstacles to discovery.
113
283000
3000
지금껏 발견을 어렵게 했던 장애들을 극복하게 합니다.
05:01
First, it's clearly a non-invasive,
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286000
3000
우선, 이 방법은 분명 비(非)침투적인
05:04
wireless form of communication.
115
289000
3000
무선 커뮤니케이션 형태입니다.
05:07
And second, just as in a radio broadcast,
116
292000
2000
그리고 두번째로 라디오 방송처럼
05:09
you can communicate with many receivers at once.
117
294000
3000
많은 수신기와 동시에 소통할 수 있는 방법입니다.
05:12
You don't need to know where these receivers are,
118
297000
3000
수신기가 어디에 있는지 알 필요는 없습니다.
05:15
and it doesn't matter if these receivers move --
119
300000
2000
그리고 수신기가 돌아다녀도 상관없습니다.
05:17
just think of the stereo in your car.
120
302000
3000
차에 있는 스테레오 장치를 생각해보세요.
05:20
It gets even better,
121
305000
3000
우리가
05:23
for it turns out that we can fabricate the receivers
122
308000
3000
DNA에 암호화된 물질로 만든
05:26
out of materials that are encoded in DNA.
123
311000
3000
수신기를 제작해 낼 수 있다면 더욱 좋겠죠.
05:29
So each nerve cell
124
314000
2000
그래서 적절한 유전적 구성을 가진
05:31
with the right genetic makeup
125
316000
2000
각각의 신경 세포가
05:33
will spontaneously produce a receiver
126
318000
3000
우리가 그 기능을 통제할 수 있는
05:36
that allows us to control its function.
127
321000
3000
수신기를 동시에 생산할 수 있게 말입니다.
05:39
I hope you'll appreciate
128
324000
2000
저는 여러분께서
05:41
the beautiful simplicity
129
326000
2000
이 개념의 아름다운 단순함을
05:43
of this concept.
130
328000
2000
주목해 주셨으면 합니다.
05:45
There's no high-tech gizmos here,
131
330000
2000
여기에는 어떤 하이테크 장치도 없습니다.
05:47
just biology revealed through biology.
132
332000
3000
그저 생물학을 통해 밝혀진 생물학일 뿐이지요.
05:51
Now let's take a look at these miraculous receivers up close.
133
336000
3000
자, 그럼 이 엄청난 수신기를 자세히 살펴 보도록 하죠.
05:54
As we zoom in on one of these purple neurons,
134
339000
3000
여기 보라색 뉴런 중 하나를 확대해보면
05:57
we see that its outer membrane
135
342000
2000
바깥쪽 피막에
05:59
is studded with microscopic pores.
136
344000
2000
미세한 기공들이 산재해 있는 걸 보실 수 있습니다.
06:01
Pores like these conduct electrical current
137
346000
2000
이런 기공들은 전류를 유도하고
06:03
and are responsible
138
348000
2000
신경계의
06:05
for all the communication in the nervous system.
139
350000
2000
모든 의사소통을 담당하고 있습니다.
06:07
But these pores here are special.
140
352000
2000
그러나 여기 있는 기공들은 특별합니다.
06:09
They are coupled to light receptors
141
354000
2000
이 기공은 여러분의 눈과 비슷한
06:11
similar to the ones in your eyes.
142
356000
3000
빛 수용체와 결합되어 있습니다.
06:14
Whenever a flash of light hits the receptor,
143
359000
2000
이 수용체에 빛이 쪼여질 때마다
06:16
the pore opens, an electrical current is switched on,
144
361000
3000
기공이 열리게 되면 전류가 연결되고
06:19
and the neuron fires electrical impulses.
145
364000
3000
뉴런은 전기적 자극을 보내는 겁니다.
06:22
Because the light-activated pore is encoded in DNA,
146
367000
3000
왜냐하면 광(光)활성된 기공은 DNA에 암호화되어 있기 때문에
06:25
we can achieve incredible precision.
147
370000
3000
놀라운 정밀성을 갖게 되는 것이죠.
06:28
This is because,
148
373000
2000
그래서 이것이
06:30
although each cell in our bodies
149
375000
2000
우리 몸에 모든 세포들이
06:32
contains the same set of genes,
150
377000
2000
같은 조합의 유전자를 가지고 있음에도 불구하고
06:34
different mixes of genes get turned on and off
151
379000
2000
유전자의 다른 조합이 서로 다른 세포에서
06:36
in different cells.
152
381000
2000
반응했다 안 했다 하는 이유인 것이죠.
06:38
You can exploit this to make sure
153
383000
2000
여러분은 이걸 이용해서 몇 개의 뉴런만
06:40
that only some neurons
154
385000
2000
광(光)활성된 기공을 가지고 있고
06:42
contain our light-activated pore and others don't.
155
387000
3000
다른 것들은 그렇지 않다는 걸 확인할 수 있습니다.
06:45
So in this cartoon, the bluish white cell
156
390000
2000
여기 그림에서 좌측 상단에 있는
06:47
in the upper-left corner
157
392000
2000
푸르스름한 하얀 세포는
06:49
does not respond to light
158
394000
2000
빛에 반응 하지 않고 있죠.
06:51
because it lacks the light-activated pore.
159
396000
3000
왜냐하면 광(光)활성된 기공이 없기 때문이죠.
06:54
The approach works so well
160
399000
2000
이런 시도가 잘 되면
06:56
that we can write purely artificial messages
161
401000
2000
우리는 완전히 인위적인 메시지를 작성해서
06:58
directly to the brain.
162
403000
2000
뇌에 직접 보낼 수 있습니다.
07:00
In this example, each electrical impulse,
163
405000
2000
이 그래프에서 각각의 전기 자극과
07:02
each deflection on the trace,
164
407000
3000
궤적을 벗어난 이탈은
07:05
is caused by a brief pulse of light.
165
410000
3000
순간적인 빛의 진동 때문에 발생한 겁니다.
07:08
And the approach, of course, also works
166
413000
2000
그리고 이러한 사례는
07:10
in moving, behaving animals.
167
415000
3000
움직이거나 활동중인 동물에서도 볼 수 있죠.
07:13
This is the first ever such experiment,
168
418000
2000
이건 갈바니의 광학적 실험 버전에 해당하는
07:15
sort of the optical equivalent of Galvani's.
169
420000
3000
최초의 실험이죠.
07:18
It was done six or seven years ago
170
423000
2000
이 실험은 당시 저의 학생이었던 수사나 리마가
07:20
by my then graduate student, Susana Lima.
171
425000
3000
6-7년 정도 전에 했던 것입니다.
07:23
Susana had engineered the fruit fly on the left
172
428000
3000
수사나는 왼쪽에 보시는 초파리를 조작해서
07:26
so that just two out of the 200,000 cells in its brain
173
431000
4000
초파리 뇌의 이십 만 개 세포 중 단 두 개 만이
07:30
expressed the light-activated pore.
174
435000
3000
광(光)활성된 기공을 나타내도록 했습니다.
07:33
You're familiar with these cells
175
438000
2000
여러분은 아마도 이 세포에 익숙 하실텐데요.
07:35
because they are the ones that frustrate you
176
440000
2000
바로 이 세포가 여러분이 파리를 잡을 때
07:37
when you try to swat the fly.
177
442000
2000
사람을 힘들게 만드는 세포기 때문이죠.
07:39
They trained the escape reflex that makes the fly jump into the air
178
444000
3000
이 세포는 여러분이 손을 움직여 파리를 잡으려고 할 때마다 파리가 공중으로
07:42
and fly away whenever you move your hand in position.
179
447000
3000
날아가 버리게 하는 반사 반응 가능하게 하는 세포죠.
07:46
And you can see here that the flash of light has exactly the same effect.
180
451000
3000
그리고 빛을 쪼여주는 건 같은 효과를 발생시킨다는 걸 보실 수 있습니다.
07:49
The animal jumps, it spreads its wings, it vibrates them,
181
454000
3000
파리가 뛰어올라서 날개를 펴고, 파닥거리는 겁니다.
07:52
but it can't actually take off
182
457000
2000
그러나 파리는 실제로는 날아오르지는 못합니다.
07:54
because the fly is sandwiched between two glass plates.
183
459000
3000
왜냐하면 두 장의 유리판 사이에 끼여 있기 때문입니다.
07:58
Now to make sure that this was no reaction of the fly
184
463000
2000
자, 이제 확인할 건 파리가 빛을 볼 수 있어서
08:00
to a flash it could see,
185
465000
3000
반응을 한 것이 아니라는 겁니다.
08:03
Susana did a simple
186
468000
2000
수사나는 간단하지만
08:05
but brutally effective experiment.
187
470000
2000
잔인하게 효과적인 실험을 했는데
08:07
She cut the heads off of her flies.
188
472000
3000
파리의 머리를 떼어버린 거였죠.
08:11
These headless bodies can live for about a day,
189
476000
3000
이렇게 머리 없는 몸으로 약 하루 정도 살 수 있긴 하지만
08:14
but they don't do much.
190
479000
2000
별로 할 수 있는 일은 없습니다.
08:16
They just stand around
191
481000
3000
그냥 서성이거나
08:19
and groom excessively.
192
484000
3000
열심히 몸단장 하는 행동을 하는 게 다입니다.
08:22
So it seems that the only trait that survives decapitation is vanity.
193
487000
3000
참수당하고도 남아 있는 유일한 습성은 허영심 같네요.
08:25
(Laughter)
194
490000
3000
(웃음)
08:30
Anyway, as you'll see in a moment,
195
495000
2000
어쨌든 잠시 후에 보시 듯
08:32
Susana was able to turn on the flight motor
196
497000
3000
수사나가 이 파리의 척수에 해당하는
08:35
of what's the equivalent of the spinal cord of these flies
197
500000
3000
비행 기관을 작동시켜서
08:38
and get some of the headless bodies
198
503000
2000
이 머리 없는 파리 몸체가
08:40
to actually take off and fly away.
199
505000
3000
실제로 날 수 있게 했죠.
08:47
They didn't get very far, obviously.
200
512000
2000
분명한 건 파리가 멀리 가진 못했다는 겁니다.
08:50
Since we took these first steps,
201
515000
2000
우리가 이러한 첫 걸음을 내딛은 이후
08:52
the field of optogenetics has exploded.
202
517000
3000
광(光)유전학 분야는 폭발적 성장을 했습니다.
08:55
And there are now hundreds of labs
203
520000
2000
지금은 수 백 개의 연구실이
08:57
using these approaches.
204
522000
2000
이러한 방법으로 연구하고 있습니다.
08:59
And we've come a long way
205
524000
2000
우리는 갈바니와 수사나의 이런
09:01
since Galvani's and Susana's first successes
206
526000
3000
동물들을 움찔거리게 하거나 뛰어오르게 하는 첫 번째 실험 성공 이후
09:04
in making animals twitch or jump.
207
529000
2000
먼 길을 걸어 왔습니다.
09:06
We can now actually interfere with their psychology
208
531000
3000
우리는 이제 실제로 심리학에 관여하게 되었죠.
09:09
in rather profound ways,
209
534000
2000
보다 심오한 방법을 통해서 말입니다.
09:11
as I'll show you in my last example,
210
536000
2000
여기 마지막 사례를 보여 드리겠습니다.
09:13
which is directed at a familiar question.
211
538000
3000
아마도 익숙한 질문에서 나온 것일 겁니다.
09:16
Life is a string of choices
212
541000
3000
삶이란 다음에 무엇을 할 것인지 정해야 하는
09:19
creating a constant pressure to decide what to do next.
213
544000
3000
끊임없는 압력이 생기는 선택의 연속이라는 거죠.
09:23
We cope with this pressure by having brains,
214
548000
3000
우리는 뇌를 가지고 있기 때문에 이러한 압력을 조절합니다.
09:26
and within our brains, decision-making centers
215
551000
3000
우리 뇌안에는 제가 '행위자' 라고 부르는
09:29
that I've called here the "Actor."
216
554000
3000
의사 결정 본부가 있죠.
09:33
The Actor implements a policy that takes into account
217
558000
3000
이 행위자 기관은 주변 환경의 상태와
09:36
the state of the environment
218
561000
2000
우리가 움직이는 맥락을 고려하는
09:38
and the context in which we operate.
219
563000
3000
정책을 수행시킵니다.
09:41
Our actions change the environment, or context,
220
566000
3000
우리의 행동은 환경이나 맥락을 변화시키죠.
09:44
and these changes are then fed back into the decision loop.
221
569000
3000
그리고 이러한 변화는 다시 의사 결정 과정으로 반영되고요.
09:48
Now to put some neurobiological meat
222
573000
3000
이런 추상적인 모델에
09:51
on this abstract model,
223
576000
2000
신경생물학적인 골자를 더하기 위해서
09:53
we constructed a simple one-dimensional world
224
578000
2000
우리가 가장 좋아하는 실험 대상인 초파리를 위한
09:55
for our favorite subject, fruit flies.
225
580000
3000
간단한 일차원 세계를 구성해봤죠.
09:58
Each chamber in these two vertical stacks
226
583000
2000
두 개의 수직 구조의 각 방에는
10:00
contains one fly.
227
585000
2000
한 마리의 파리가 들어 있습니다.
10:02
The left and the right halves of the chamber
228
587000
3000
각 방의 오른쪽 반과 왼쪽 반은
10:05
are filled with two different odors,
229
590000
2000
두 가지 다른 향으로 채워져 있죠.
10:07
and a security camera watches
230
592000
2000
그리고 감시 카메라는
10:09
as the flies pace up and down between them.
231
594000
3000
오른쪽과 왼쪽 사이에서 빨리 움직이는지 느리게 움직이는지를 보는 겁니다.
10:12
Here's some such CCTV footage.
232
597000
2000
이건 그 CCTV 기록인데요.
10:14
Whenever a fly reaches the midpoint of the chamber
233
599000
3000
두 향이 겹치는
10:17
where the two odor streams meet,
234
602000
2000
방의 중간 지점에 이를 때마다
10:19
it has to make a decision.
235
604000
2000
파리는 결정을 내려야 합니다.
10:21
It has to decide whether to turn around
236
606000
2000
되돌아 갈 것인지
10:23
and stay in the same odor,
237
608000
2000
아니면 같은 향 속에 있을 것인지 말이죠.
10:25
or whether to cross the midline
238
610000
2000
아니면 중간 지점을 넘어서
10:27
and try something new.
239
612000
2000
뭔가 새로운 것을 시도할 것인지 말입니다.
10:29
These decisions are clearly a reflection
240
614000
3000
이러한 결정은 분명히 행위자 기관의 정책이
10:32
of the Actor's policy.
241
617000
3000
반영된 것이죠.
10:36
Now for an intelligent being like our fly,
242
621000
3000
음, 파리와 같은 지적인 생명체한테
10:39
this policy is not written in stone
243
624000
3000
이런 정책은 석판에 새겨진 것이라기 보다는
10:42
but rather changes as the animal learns from experience.
244
627000
3000
경험을 통해 배워가면서 변화하는 것이죠.
10:45
We can incorporate such an element
245
630000
2000
우리는 이런 적응적 지능 같은 요소를
10:47
of adaptive intelligence into our model
246
632000
3000
파리의 뇌가 행위자 기관 뿐만 아니라
10:50
by assuming that the fly's brain
247
635000
2000
다른 그룹의 세포, 즉 행위자 기관의 선택에 대해
10:52
contains not only an Actor,
248
637000
2000
끊임없는 평가를 해주는
10:54
but a different group of cells,
249
639000
2000
'비평가' 도 포함하고 있다는
10:56
a "Critic," that provides a running commentary
250
641000
3000
가정을 함으로써
10:59
on the Actor's choices.
251
644000
2000
우리의 모델에 통합할 수 있습니다.
11:01
You can think of this nagging inner voice
252
646000
3000
이런 잔소리 같은 내부 목소리는
11:04
as sort of the brain's equivalent
253
649000
2000
만약 여러분이 저같은 호주 사람이라면,
11:06
of the Catholic Church,
254
651000
2000
머리 속에 있는 일종의 성당이라고
11:08
if you're an Austrian like me,
255
653000
3000
생각하실 수 있고요.
11:11
or the super-ego, if you're Freudian,
256
656000
3000
프로이드를 믿으시면 초자아 라고 보실 수도 있고요. (초자아:자아를 감시하는 무의식적 양심)
11:14
or your mother, if you're Jewish.
257
659000
2000
여러분이 유대인이라면 어머니로 보실 수도 있겠죠.
11:16
(Laughter)
258
661000
4000
(웃음)
11:20
Now obviously,
259
665000
2000
분명한 건
11:22
the Critic is a key ingredient
260
667000
3000
비평의 역할은 우리를 지적으로 만드는
11:25
in what makes us intelligent.
261
670000
2000
중요한 요소라는 겁니다.
11:27
So we set out to identify
262
672000
2000
그래서 우리는 파리의 뇌의
11:29
the cells in the fly's brain
263
674000
2000
어느 세포가 비평가의 역할을 담당하는지
11:31
that played the role of the Critic.
264
676000
2000
규명해보기로 하였죠.
11:33
And the logic of our experiment was simple.
265
678000
3000
우리가 수행한 실험의 논리는 간단했습니다.
11:36
We thought if we could use our optical remote control
266
681000
3000
비평가 기관의 세포를 활성화시키기 위해서
11:39
to activate the cells of the Critic,
267
684000
3000
광학적 원격 제어를 이용하려면
11:42
we should be able, artificially, to nag the Actor
268
687000
3000
우리는 인위적으로 행위자 기관에게 정책을 바꾸라고
11:45
into changing its policy.
269
690000
2000
잔소리를 할 수 있어야 한다는 것이었죠.
11:47
In other words,
270
692000
2000
다시 말하면
11:49
the fly should learn from mistakes
271
694000
2000
파리는 자기가 한 실수를 통해서
11:51
that it thought it had made
272
696000
2000
뭔가를 배워야 하지만
11:53
but, in reality, it had not made.
273
698000
3000
현실에서는 실수를 하지 않거든요.
11:56
So we bred flies
274
701000
2000
그래서 우리는 광(光)연상작용이 가능한
11:58
whose brains were more or less randomly peppered
275
703000
3000
세포가 거의 무작위로 분포된 뇌를 갖고 있는
12:01
with cells that were light addressable.
276
706000
2000
파리를 배양했죠.
12:03
And then we took these flies
277
708000
2000
그리고 이 파리가
12:05
and allowed them to make choices.
278
710000
2000
선택을 내리도록 실험했습니다.
12:07
And whenever they made one of the two choices,
279
712000
2000
두 가지 선택 중에 하나의 결정을 할 때마다
12:09
chose one odor,
280
714000
2000
즉, 한 개의 향을 선택하는 거죠.
12:11
in this case the blue one over the orange one,
281
716000
2000
이 경우엔 주황색이 아닌 파란색을 선택하면
12:13
we switched on the lights.
282
718000
2000
불이 켜지는 거였죠.
12:15
If the Critic was among the optically activated cells,
283
720000
3000
광(光)활성성 세포 가운데 비평가 역할을 하는 세포가 있다면
12:18
the result of this intervention
284
723000
2000
그 비평가 세포의 중재의 결과는
12:20
should be a change in policy.
285
725000
3000
정책에 변화를 가져 올 것입니다.
12:23
The fly should learn to avoid
286
728000
2000
그래서 파리는 광학적으로 강화된 향을
12:25
the optically reinforced odor.
287
730000
2000
피하게 되는 걸 배우는 것입니다.
12:27
Here's what happened in two instances:
288
732000
3000
여기 두 가지 경우가 있습니다.
12:30
We're comparing two strains of flies,
289
735000
3000
두 가지 종의 파리을 비교해 보면
12:33
each of them having
290
738000
2000
각각의 종은
12:35
about 100 light-addressable cells in their brains,
291
740000
2000
약 백 여 개의 광(光)연상성 뇌세포를 가지고 있습니다.
12:37
shown here in green on the left and on the right.
292
742000
3000
여기 왼쪽과 오른쪽에 보이는 녹색의 것입니다.
12:40
What's common among these groups of cells
293
745000
3000
이들 세포 그룹의 공통점은
12:43
is that they all produce the neurotransmitter dopamine.
294
748000
3000
모두 신경 전달 물질인 도파민을 분비한다는 것입니다.
12:46
But the identities of the individual
295
751000
2000
그러나 도파민을 분비하는
12:48
dopamine-producing neurons
296
753000
2000
각각의 뉴런의 특성은
12:50
are clearly largely different on the left and on the right.
297
755000
3000
왼쪽과 오른쪽이 각각 분명하게 많이 다릅니다.
12:53
Optically activating
298
758000
2000
빛으로 활성화되는
12:55
these hundred or so cells
299
760000
2000
이들 수 백 개의 세포는
12:57
into two strains of flies
300
762000
2000
두 종류의 파리들에게 각각 있는데
12:59
has dramatically different consequences.
301
764000
2000
극단적으로 다른 결과를 가져오죠.
13:01
If you look first at the behavior
302
766000
2000
오른쪽의 파리 집단의
13:03
of the fly on the right,
303
768000
2000
행동을 먼저 보시면,
13:05
you can see that whenever it reaches the midpoint of the chamber
304
770000
3000
두 향이 만나는 방의
13:08
where the two odors meet,
305
773000
2000
중간 지점에 다다를 때 마다
13:10
it marches straight through, as it did before.
306
775000
3000
예전에 그랬듯이 그냥 쭉 직진합니다.
13:13
Its behavior is completely unchanged.
307
778000
2000
이들의 행동은 전혀 변하지 않았죠.
13:15
But the behavior of the fly on the left is very different.
308
780000
3000
하지만 왼쪽 그룹에 있는 파리의 행동은 상당히 다릅니다.
13:18
Whenever it comes up to the midpoint,
309
783000
3000
중간 지점에 다다를 때 마다
13:21
it pauses,
310
786000
2000
멈춥니다.
13:23
it carefully scans the odor interface
311
788000
2000
새로운 환경을 마주하면 킁킁 거리며 냄새 맡는 것처럼
13:25
as if it was sniffing out its environment,
312
790000
2000
새로운 향을 조심스럽게 살펴보고
13:27
and then it turns around.
313
792000
2000
돌아서 버립니다.
13:29
This means that the policy that the Actor implements
314
794000
3000
이건 오른쪽 공간에 있는 향을 피하라는
13:32
now includes an instruction to avoid the odor
315
797000
2000
주문을 행위자 기관이 정책에
13:34
that's in the right half of the chamber.
316
799000
3000
반영한다는 걸 의미합니다.
13:37
This means that the Critic
317
802000
2000
이것은 비평가 기관이 파리 안에서
13:39
must have spoken in that animal,
318
804000
2000
뭔가를 말했다는 것을 뜻하는 겁니다.
13:41
and that the Critic must be contained
319
806000
2000
그리고 그 비평가 기관은 분명히
13:43
among the dopamine-producing neurons on the left,
320
808000
3000
왼쪽 그룹의 도파민 분비 뉴런 중에 하나라는 겁니다.
13:46
but not among the dopamine producing neurons on the right.
321
811000
3000
오른쪽의 도파민 분비 뉴런 중에 있는 게 아니죠.
13:49
Through many such experiments,
322
814000
3000
그러한 많은 실험을 통해서
13:52
we were able to narrow down
323
817000
2000
우리는 비평가 기관의 실체를
13:54
the identity of the Critic
324
819000
2000
단 12개의 세포로
13:56
to just 12 cells.
325
821000
2000
압축했습니다.
13:58
These 12 cells, as shown here in green,
326
823000
3000
여기 녹색으로 보여지는 12 개의 세포는
14:01
send the output to a brain structure
327
826000
2000
여기 회색 부분의
14:03
called the "mushroom body,"
328
828000
2000
버섯형 몸체로 불리우는
14:05
which is shown here in gray.
329
830000
2000
두뇌 구조에 출력을 보냅니다.
14:07
We know from our formal model
330
832000
2000
우리는 정형적인 모델을 통해서
14:09
that the brain structure
331
834000
2000
비평가 기관의 잔소리를 수용하는
14:11
at the receiving end of the Critic's commentary is the Actor.
332
836000
3000
최종 두뇌 구조는 행위자 기관이라는 걸 알아냈죠.
14:14
So this anatomy suggests
333
839000
2000
그래서 이 해부도는
14:16
that the mushroom bodies have something to do
334
841000
3000
여기 버섯형 몸체가 행위의 선택과
14:19
with action choice.
335
844000
2000
관련이 있다는 걸 보여줍니다.
14:21
Based on everything we know about the mushroom bodies,
336
846000
2000
버섯형 몸체에 관해 우리가 알고 있는 모든 것에 의하면
14:23
this makes perfect sense.
337
848000
2000
이건 완전히 이해되는 겁니다.
14:25
In fact, it makes so much sense
338
850000
2000
사실 우리가 파리의 행동을 자극시키는
14:27
that we can construct an electronic toy circuit
339
852000
3000
전기 장난감 회로를 만들었다고
14:30
that simulates the behavior of the fly.
340
855000
3000
하면 잘 이해가 되겠군요.
14:33
In this electronic toy circuit,
341
858000
3000
이 전기 장난감 회로에서
14:36
the mushroom body neurons are symbolized
342
861000
2000
버섯형 몸체 뉴런은
14:38
by the vertical bank of blue LEDs
343
863000
3000
보드 가운데에 있는
14:41
in the center of the board.
344
866000
3000
파란색 LED의 수직 단자로 상징됩니다.
14:44
These LED's are wired to sensors
345
869000
2000
이 LED들은 대기 중에 있는 냄새 분자의 존재를
14:46
that detect the presence of odorous molecules in the air.
346
871000
3000
감지할 수 있는 센서에 연결되어 있죠.
14:50
Each odor activates a different combination of sensors,
347
875000
3000
각각의 향은 서로 다른 조합의 센서들을 활성하시키는데,
14:53
which in turn activates
348
878000
2000
이건 버섯형 몸체에 있는
14:55
a different odor detector in the mushroom body.
349
880000
3000
다른 냄새 감지 장치를 활성화시킵니다.
14:58
So the pilot in the cockpit of the fly,
350
883000
2000
그래서 파리의 조종석에 있는 파일럿,
15:00
the Actor,
351
885000
2000
즉, 행위자가
15:02
can tell which odor is present
352
887000
2000
어떤 파란색 LED가 켜져 있는지 보게 되면
15:04
simply by looking at which of the blue LEDs lights up.
353
889000
4000
어떤 향이 존재하는지 구분해내는 것입니다.
15:09
What the Actor does with this information
354
894000
2000
행위자가 이러한 정보를 가지고 하는 일은
15:11
depends on its policy,
355
896000
2000
그 정책에 달려있는데
15:13
which is stored in the strengths of the connection,
356
898000
2000
이건 냄새 감지 장치와
15:15
between the odor detectors
357
900000
2000
파리가 도망가게 하는 동력을 주는
15:17
and the motors
358
902000
2000
운동 신경
15:19
that power the fly's evasive actions.
359
904000
2000
사이의 연결 강도에 저장이 되는 겁니다.
15:22
If the connection is weak, the motors will stay off
360
907000
2000
만약 연결이 약하면 운동 기관은 작동되지 않고
15:24
and the fly will continue straight on its course.
361
909000
3000
파리는 그대로 앞으로 가던 길을 가게 될 것이고
15:27
If the connection is strong, the motors will turn on
362
912000
3000
반면 연결이 강하면 운동 기관이 작동 되어서
15:30
and the fly will initiate a turn.
363
915000
3000
파리는 방향을 바꾸게 되겠죠.
15:33
Now consider a situation
364
918000
2000
자, 운동 기관이 작동 되지 않는
15:35
in which the motors stay off,
365
920000
2000
파리가 가던 길을 계속 가는
15:37
the fly continues on its path
366
922000
3000
상황을 생각해보세요.
15:40
and it suffers some painful consequence
367
925000
2000
이건 파리가 탁 잡히게 되는
15:42
such as getting zapped.
368
927000
2000
아주 고통스런 결과를 초래할 것입니다.
15:44
In a situation like this,
369
929000
2000
이 같은 상황에서
15:46
we would expect the Critic to speak up
370
931000
2000
우리는 비평가 기관이
15:48
and to tell the Actor
371
933000
2000
행위자 기관한테
15:50
to change its policy.
372
935000
2000
계획을 바꾸라고 말하라고 하고 싶겠죠.
15:52
We have created such a situation, artificially,
373
937000
3000
우리는 빛으로 비평가 기관이 작동되게 하여서
15:55
by turning on the critic with a flash of light.
374
940000
3000
이러한 상황을 인위적으로 만든 겁니다.
15:58
That caused a strengthening of the connections
375
943000
3000
그것은 현재 활성화된 냄새 감지 장치와
16:01
between the currently active odor detector
376
946000
3000
운동 기관 사이의 연결을
16:04
and the motors.
377
949000
2000
강화시키게 됩니다.
16:06
So the next time
378
951000
2000
그래서 그 다음에
16:08
the fly finds itself facing the same odor again,
379
953000
3000
파리는 다시 같은 냄새와 마주치게 되고
16:11
the connection is strong enough to turn on the motors
380
956000
3000
연결이 강화되면 운동 기관이 작동되고
16:14
and to trigger an evasive maneuver.
381
959000
3000
회피 동작이 실행되는 겁니다.
16:19
I don't know about you,
382
964000
3000
저는 여러분에 대해 잘 알지 못합니다만
16:22
but I find it exhilarating to see
383
967000
3000
어떻게 모호한 심리학적 개념이
16:25
how vague psychological notions
384
970000
3000
마음에 대한 물리적이고 기계적인 이해를
16:28
evaporate and give rise
385
973000
2000
유발시키는가를
16:30
to a physical, mechanistic understanding of the mind,
386
975000
3000
보는 게 매우 흥미롭다고 봅니다..
16:33
even if it's the mind of the fly.
387
978000
3000
그게 아무리 파리의 마음이라고 할지라도요.
16:36
This is one piece of good news.
388
981000
3000
이건 정말 좋은 소식입니다.
16:39
The other piece of good news,
389
984000
2000
그리고 적어도 과학자에게
16:41
for a scientist at least,
390
986000
2000
좋은 또 다른 소식은
16:43
is that much remains to be discovered.
391
988000
3000
발견되어야 할 것이 아직 많이 남아 있다는 겁니다.
16:46
In the experiments I told you about,
392
991000
2000
제가 말씀드린 실험에서
16:48
we have lifted the identity of the Critic,
393
993000
3000
우리는 비평가 기관의 실체를 드러냈지만,
16:51
but we still have no idea
394
996000
2000
그러나 우리는 아직
16:53
how the Critic does its job.
395
998000
2000
비평가 기관이 어떻게 그 일을 수행하는지 알지 못합니다.
16:55
Come to think of it, knowing when you're wrong
396
1000000
2000
생각해 보세요. 선생님이나 어머니가
16:57
without a teacher, or your mother, telling you,
397
1002000
3000
뭐가 잘못 되었는지 여러분에게 말해주지 않는다면
17:00
is a very hard problem.
398
1005000
2000
그걸 인식하는 건 아주 어려운 문제일 겁니다.
17:02
There are some ideas in computer science
399
1007000
2000
컴퓨터 사이언스와 인공 지능 분야에도
17:04
and in artificial intelligence
400
1009000
2000
이런 일이 어떻게 이뤄지는 지에 관해서
17:06
as to how this might be done,
401
1011000
2000
약간의 개념이 있습니다.
17:08
but we still haven't solved
402
1013000
2000
하지만 우리는 지적 행동이
17:10
a single example
403
1015000
2000
어떻게 살아 있는 물질의
17:12
of how intelligent behavior
404
1017000
3000
물리적 작용으로부터
17:15
springs from the physical interactions
405
1020000
2000
파생되는지에 대한 하나의 예도
17:17
in living matter.
406
1022000
2000
풀어내지 못했습니다.
17:19
I think we'll get there in the not too distant future.
407
1024000
3000
멀지 않은 미래에 풀릴 것이라고 저는 생각합니다.
17:22
Thank you.
408
1027000
2000
감사합니다.
17:24
(Applause)
409
1029000
4000
(박수)
ABOUT THE SPEAKER
Gero Miesenboeck - OptogeneticistUsing light and a little genetic engineering -- optogenetics -- Gero Miesenboeck has developed a way to control how living nerve cells work, and advanced understanding of how the brain controls behavior.
Why you should listen
Gero Miesenboeck is pioneering the field of optogenetics: genetically modifying nerve cells to respond to light. By flashing light at a modified neuron in a living nervous system, Miesenboeck and his collaborators can mimic a brain impulse -- and then study what happens next. Optogenetics will allow ever more precise experiments on living brains, allowing us to gather better evidence on how electrical impulses on tissue translate into actual behavior and thoughts.
In one experiment, done at Yale, he and his team engineered fruit flies to be light-sensitive in the neural area responsible for escape response. Then the flies were beheaded; fruit flies can live for a day without their heads, but they don't move. When the modified cells were flashed with light, though, the headless flies flew. Miesenboeck had successfully simulated an order from a brain that wasn't even there anymore.
Miesenboeck's current research at Oxford's growing department of neurobiology focuses on the nerve cell networks that underpin what animals perceive, remember and do. In one recent experiment, he used optogenetics to implant an unpleasant memory in a fruit fly, causing it to "remember" to avoid a certain odor as it traveled around. He and his team were able, in fact, to find the fly's specific 12-neuron brain circuit that govern memory formation.
Gero Miesenboeck | Speaker | TED.com