TEDGlobal 2010
Gero Miesenboeck: Re-engineering the brain
Gero Miesenboeck prestavuje mozog
Filmed:
Readability: 4.7
717,411 views
V snahe zmapovať mozog sa mnohí vedci rozhodli pre neuveriteľne namáhavú úlohu - zaznamenať aktivitu všetkých neurónov. Gero Miesenboeck to robí opačne, manipulue špecifickými neurónmi, aby zistil, čo presne robia. V ohromujúcich experimentoch zmení spôsob, ktorým octomilka vníma svetlo.
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
Double-click the English transcript below to play the video.
00:15
I have a doppelganger.
0
0
3000
Mám dvojníka.
00:18
(Laughter)
1
3000
3000
(Smiech)
00:21
Dr. Gero is a brilliant
2
6000
3000
Dr. Gero je vynikajúci,
00:24
but slightly mad scientist
3
9000
2000
ibaže trocha šialený vedec
00:26
in the "Dragonball Z: Android Saga."
4
11000
3000
v Dragonball Z "Android Ságe."
00:29
If you look very carefully,
5
14000
2000
Ak sa pozriete pozorne,
00:31
you see that his skull has been replaced
6
16000
3000
zistíte, že namiesto lebky má
00:34
with a transparent Plexiglas dome
7
19000
2000
priehľadnú kupolu z plexiskla,
00:36
so that the workings of his brain can be observed
8
21000
3000
takže možno vidieť, čo sa deje v jeho mozgu
00:39
and also controlled with light.
9
24000
3000
a kontrolovať ho svetlom.
00:42
That's exactly what I do --
10
27000
2000
Presne to isté robím aj ja...
00:44
optical mind control.
11
29000
2000
optické kontrolovanie mysle.
00:46
(Laughter)
12
31000
2000
(Smiech)
00:48
But in contrast to my evil twin
13
33000
2000
Ale na rozdiel od môjho zlomyseľného dvojčaťa,
00:50
who lusts after world domination,
14
35000
3000
ktoré chce ovládnuť svet,
00:53
my motives are not sinister.
15
38000
3000
moje motívy nie sú zlomyseľné.
00:56
I control the brain
16
41000
2000
Kontrolujem mozog,
00:58
in order to understand how it works.
17
43000
2000
aby som porozumel, ako funguje.
01:00
Now wait a minute, you may say,
18
45000
2000
"Tak počkať," poviete si,
01:02
how can you go straight to controlling the brain
19
47000
3000
"ako môžeš kontrolovať mozog
01:05
without understanding it first?
20
50000
2000
bez toho, aby si mu najprv porozumel?"
01:07
Isn't that putting the cart before the horse?
21
52000
3000
Nemalo by to byť naopak?
01:11
Many neuroscientists agree with this view
22
56000
3000
Mnoho neurobiológov s týmto názorom súhlasí
01:14
and think that understanding will come
23
59000
3000
a myslí si, že k porozumenie sa dosiahne
01:17
from more detailed observation and analysis.
24
62000
3000
detailnejším pozorovaním a analýzami.
01:20
They say, "If we could record the activity of our neurons,
25
65000
4000
Vravia: "Ak dokážeme zaznamenať aktivitu neurónov,
01:24
we would understand the brain."
26
69000
3000
porozumieme mozgu."
01:27
But think for a moment what that means.
27
72000
3000
Porozmýšľajte chviľu, čo to znamená.
01:30
Even if we could measure
28
75000
2000
Aj keby sme dokázali zmerať
01:32
what every cell is doing at all times,
29
77000
2000
činnosť každej bunky v každom momente do určitej schémy,
01:34
we would still have to make sense
30
79000
2000
museli by sme ešte dokázať pochopiť
01:36
of the recorded activity patterns,
31
81000
2000
takúto schému.
01:38
and that's so difficult,
32
83000
2000
A to je veľmi náročné.
01:40
chances are we'll understand these patterns
33
85000
2000
Šance, že tekejto schéme porozumieme,
01:42
just as little as the brains that produce them.
34
87000
3000
sú také malé ako mozgy, ktoré ju produkujú.
01:45
Take a look at what brain activity might look like.
35
90000
3000
Pozrime sa, ako môže mozgová aktivita vyzerať.
01:48
In this simulation, each black dot
36
93000
2000
V tejto simulácii, každá čierna bodka
01:50
is one nerve cell.
37
95000
2000
predstavuje jeden neurón.
01:52
The dot is visible
38
97000
2000
Bodka je viditeľná vtedy,
01:54
whenever a cell fires an electrical impulse.
39
99000
2000
keď neurón vysiela elektrický impulz.
01:56
There's 10,000 neurons here.
40
101000
2000
Tu vidíme 10 000 neurónov.
01:58
So you're looking at roughly one percent
41
103000
2000
Takže sa pozeráte na asi jedno percento
02:00
of the brain of a cockroach.
42
105000
3000
mozgu švába.
02:04
Your brains are about 100 million times
43
109000
3000
Vaše mozgy sú približne 100-miliónovkrát
02:07
more complicated.
44
112000
2000
komplikovanejšie.
02:09
Somewhere, in a pattern like this,
45
114000
2000
Niekde v takejto schéme
02:11
is you,
46
116000
2000
ste vy,
02:13
your perceptions,
47
118000
2000
vaše vnemy,
02:15
your emotions, your memories,
48
120000
3000
vaše emócie, vaše spomienky,
02:18
your plans for the future.
49
123000
2000
vaše plány do budúcna.
02:20
But we don't know where,
50
125000
2000
Ale nevieme kde,
02:22
since we don't know how to read the pattern.
51
127000
3000
kedže nevieme, ako túto schému čítať.
02:25
We don't understand the code used by the brain.
52
130000
3000
Nerozumieme kódu, ktorý náš mozog používa.
02:28
To make progress,
53
133000
2000
Aby sme sa pohli ďalej,
02:30
we need to break the code.
54
135000
2000
musíme tento kód rozlúštiť.
02:32
But how?
55
137000
2000
Ale ako?
02:35
An experienced code-breaker will tell you
56
140000
2000
Skúsený lúštiteľ kódov vám povie,
02:37
that in order to figure out what the symbols in a code mean,
57
142000
3000
že ak chce zistiť, čo znamenajú symboly v kóde,
02:40
it's essential to be able to play with them,
58
145000
3000
musí byť schopný sa s nimi hrať,
02:43
to rearrange them at will.
59
148000
2000
zámerne ich preskupovať.
02:45
So in this situation too,
60
150000
2000
Takisto aj v tejto situácii,
02:47
to decode the information
61
152000
2000
aby sme dekódovali informáciu
02:49
contained in patterns like this,
62
154000
2000
obsiahnutú v takýchto schémach,
02:51
watching alone won't do.
63
156000
2000
iba pozorovanie nestačí.
02:53
We need to rearrange the pattern.
64
158000
2000
Musíme schému usporiadať inak.
02:55
In other words,
65
160000
2000
Inými slovami,
02:57
instead of recording the activity of neurons,
66
162000
2000
namiesto nahrávania aktivity neurónov,
02:59
we need to control it.
67
164000
2000
musíme ich aktivitu kontrolovať.
03:01
It's not essential that we can control
68
166000
2000
Nie je nutné kontrolovať aktivitu
03:03
the activity of all neurons in the brain, just some.
69
168000
3000
všetkých neurónov v mozgu, len niektorých.
03:06
The more targeted our interventions, the better.
70
171000
2000
Čím sú naše zásahy presnejšie mienené, tým lepšie.
03:08
And I'll show you in a moment
71
173000
2000
A o chvíľu vám ukážem,
03:10
how we can achieve the necessary precision.
72
175000
3000
ako možno dosiahnuť dostatočnú presnosť.
03:13
And since I'm realistic, rather than grandiose,
73
178000
3000
A keďže som skôr realista, než chválenkár,
03:16
I don't claim that the ability to control the function of the nervous system
74
181000
3000
netvrdím, že schopnosť kontrolovať funkciu neurového systému
03:19
will at once unravel all its mysteries.
75
184000
3000
naraz odhalí všetky jeho záhady.
03:22
But we'll certainly learn a lot.
76
187000
3000
Ale určite sa tým dozvieme veľa.
03:27
Now, I'm by no means
77
192000
2000
Dozaista nie som
03:29
the first person to realize
78
194000
2000
prvou osobou, ktorá si uvedomila,
03:31
how powerful a tool intervention is.
79
196000
3000
akým významným nástrojom je intervencia.
03:34
The history of attempts
80
199000
2000
História pokusov
03:36
to tinker with the function of the nervous system
81
201000
2000
vŕtať sa vo funkciách neurového systému
03:38
is long and illustrious.
82
203000
2000
je dlhá a dobre známa.
03:40
It dates back at least 200 years,
83
205000
3000
Siaha prinajmenšom 200 rokov do minulosti
03:43
to Galvani's famous experiments
84
208000
2000
ku Galvaniho slávnym experimentom
03:45
in the late 18th century and beyond.
85
210000
3000
uskutočnenými koncom 18. storočia a neskôr.
03:49
Galvani showed that a frog's legs twitched
86
214000
3000
Galvani ukázal, že nohou žaby šklblo,
03:52
when he connected the lumbar nerve
87
217000
2000
keď pripojil driekový nerv
03:54
to a source of electrical current.
88
219000
3000
k zdroju elektrického prúdu.
03:57
This experiment revealed the first, and perhaps most fundamental,
89
222000
3000
V tomto experimente prvýkrát odhalil možno najdôležitejšie
04:00
nugget of the neural code:
90
225000
2000
zrnko neurového kódu:
04:02
that information is written in the form
91
227000
2000
informácia je zapísaná vo forme
04:04
of electrical impulses.
92
229000
3000
elektrického impulzu.
04:08
Galvani's approach
93
233000
2000
Galvaniho prístup
04:10
of probing the nervous system with electrodes
94
235000
2000
skúmania neurového systému elektródami
04:12
has remained state-of-the-art until today,
95
237000
3000
zostal neprekonaný až do dnešných dní,
04:15
despite a number of drawbacks.
96
240000
3000
napriek viacerým nedostatkom.
04:18
Sticking wires into the brain is obviously rather crude.
97
243000
3000
Strkať do mozgu káble je samozreme trochu hrubé.
04:21
It's hard to do in animals that run around,
98
246000
2000
Nejde to ani so zvieratami,
04:23
and there is a physical limit
99
248000
2000
a je tu aj fyzický limit
04:25
to the number of wires
100
250000
2000
počtu káblov, ktoré
04:27
that can be inserted simultaneously.
101
252000
3000
môžu byť vsunuté v mozgu súčasne.
04:30
So around the turn of the last century,
102
255000
2000
Takže na prelome posledného storočia
04:32
I started to think,
103
257000
2000
som začal rozmýšľať,
04:34
"Wouldn't it be wonderful if one could take this logic
104
259000
3000
že by bolo skvelé, keby sa táto logika dala otočiť
04:37
and turn it upside down?"
105
262000
2000
hore nohami.
04:39
So instead of inserting a wire
106
264000
2000
Takže namiesto vloženia káblu
04:41
into one spot of the brain,
107
266000
3000
na určité miesto v mozgu
04:44
re-engineer the brain itself
108
269000
2000
prispôsobme mozog sám.
04:46
so that some of its neural elements
109
271000
3000
A to tak, že niektoré z neurónov
04:49
become responsive to diffusely broadcast signals
110
274000
3000
budú reagovať na šírenie rozptýleného signálu,
04:52
such as a flash of light.
111
277000
3000
akým je záblesk svetla.
04:55
Such an approach would literally, in a flash of light,
112
280000
3000
Takýto prístup by doslova v źablesku svetla
04:58
overcome many of the obstacles to discovery.
113
283000
3000
prekonal mnoho prekážok.
05:01
First, it's clearly a non-invasive,
114
286000
3000
Poprvé, je to neinvazívna,
05:04
wireless form of communication.
115
289000
3000
bezkontaktné forma komunikácie.
05:07
And second, just as in a radio broadcast,
116
292000
2000
Podruhé, tak ako u rádiového vysielania,
05:09
you can communicate with many receivers at once.
117
294000
3000
môžete komunikovať s viacerými prijímateľmi naraz.
05:12
You don't need to know where these receivers are,
118
297000
3000
Nemusíte vedieť, kde sa týto príjmatelia nachádzajú.
05:15
and it doesn't matter if these receivers move --
119
300000
2000
A nezáleží na tom, či sa týto prijímatelia pohybujú,
05:17
just think of the stereo in your car.
120
302000
3000
jednoducho si predstavte rádio vo vašom aute.
05:20
It gets even better,
121
305000
3000
A je to ešte lepšie.
05:23
for it turns out that we can fabricate the receivers
122
308000
3000
Ukázalo sa, že takéto prijímače dokážeme vyrobiť
05:26
out of materials that are encoded in DNA.
123
311000
3000
z informácie zakódovanej v DNA.
05:29
So each nerve cell
124
314000
2000
Takže každá nervová bunka
05:31
with the right genetic makeup
125
316000
2000
so správnou genetickou úpravou
05:33
will spontaneously produce a receiver
126
318000
3000
bude spontánne produkovať prijímače,
05:36
that allows us to control its function.
127
321000
3000
ktoré nám umožnia kontrolovať jej funkcie.
05:39
I hope you'll appreciate
128
324000
2000
Dúfam, že oceníte
05:41
the beautiful simplicity
129
326000
2000
krásnu jednoduchosť
05:43
of this concept.
130
328000
2000
celého tohto konceptu.
05:45
There's no high-tech gizmos here,
131
330000
2000
Nepoužijeme tu žiadne technické mašinky,
05:47
just biology revealed through biology.
132
332000
3000
len biológiu odhaľovanú biológiou.
05:51
Now let's take a look at these miraculous receivers up close.
133
336000
3000
Teraz sa poďme pozrieť na tieto podivuhodné prijímače bližšie.
05:54
As we zoom in on one of these purple neurons,
134
339000
3000
Keď si zväčšíme jeden z týchto fialových neurónov,
05:57
we see that its outer membrane
135
342000
2000
vidíme, že jeho vonkajšia membrána
05:59
is studded with microscopic pores.
136
344000
2000
je posiata mikroskopickými trans-membránnymi pórmi.
06:01
Pores like these conduct electrical current
137
346000
2000
Takéto póry vedú elektrický prúd
06:03
and are responsible
138
348000
2000
a sú zodpovedné
06:05
for all the communication in the nervous system.
139
350000
2000
za celú komunikáciu v neurovom systéme.
06:07
But these pores here are special.
140
352000
2000
Ale tieto póry sú odlišné.
06:09
They are coupled to light receptors
141
354000
2000
Sú spojené s receptormi svetla,
06:11
similar to the ones in your eyes.
142
356000
3000
podobným tým, aké máte v očiach.
06:14
Whenever a flash of light hits the receptor,
143
359000
2000
Vždy, keď je svetlo absorbované týmto receptorom,
06:16
the pore opens, an electrical current is switched on,
144
361000
3000
pór sa otvorí, elektrický prúd sa spustí
06:19
and the neuron fires electrical impulses.
145
364000
3000
a neurón vystrelí elektrický impulz.
06:22
Because the light-activated pore is encoded in DNA,
146
367000
3000
Pretože póry aktivované svetlom sú zakódované v DNA,
06:25
we can achieve incredible precision.
147
370000
3000
vieme dosiahnuť neuveriteľnú presnosť.
06:28
This is because,
148
373000
2000
To preto,
06:30
although each cell in our bodies
149
375000
2000
že hoci každá bunka v našom tele
06:32
contains the same set of genes,
150
377000
2000
obsahuje rovnakú sadu génov,
06:34
different mixes of genes get turned on and off
151
379000
2000
rozličné gény sú zapnuté či vypnuté
06:36
in different cells.
152
381000
2000
v rozličných bunkách.
06:38
You can exploit this to make sure
153
383000
2000
To môžme využiť, aby sme sa uistili,
06:40
that only some neurons
154
385000
2000
že len určité neuróny
06:42
contain our light-activated pore and others don't.
155
387000
3000
obsahujú naše svetlom aktivovateľné póry a iné nie.
06:45
So in this cartoon, the bluish white cell
156
390000
2000
Takže na tomto nákrese modrobiela bunka
06:47
in the upper-left corner
157
392000
2000
v ľavom hornom rohu
06:49
does not respond to light
158
394000
2000
nereaguje na svetlo,
06:51
because it lacks the light-activated pore.
159
396000
3000
pretože jej chýba svetlom aktivovaný pór.
06:54
The approach works so well
160
399000
2000
Tento prístup funguje tak dobre,
06:56
that we can write purely artificial messages
161
401000
2000
že môžeme písať čisto umelé správy
06:58
directly to the brain.
162
403000
2000
priamo do mozgu.
07:00
In this example, each electrical impulse,
163
405000
2000
V tomto príklade, každý elektrický impulz,
07:02
each deflection on the trace,
164
407000
3000
každý výkyv tohto grafu,
07:05
is caused by a brief pulse of light.
165
410000
3000
je spôsobený krátkym impulzom svetla.
07:08
And the approach, of course, also works
166
413000
2000
Tento prístup funguje aj
07:10
in moving, behaving animals.
167
415000
3000
u pohybujúcich sa zvierat.
07:13
This is the first ever such experiment,
168
418000
2000
Toto je prvý experiment svojho druhu,
07:15
sort of the optical equivalent of Galvani's.
169
420000
3000
akýsi optický ekvivalent Galvaniho.
07:18
It was done six or seven years ago
170
423000
2000
Robila ho pred šiestimi či siedmimi rokmi
07:20
by my then graduate student, Susana Lima.
171
425000
3000
moja vtedajšia postgraduálna študentka Susana Lima.
07:23
Susana had engineered the fruit fly on the left
172
428000
3000
Susana upravila octomilku naľavo tak,
07:26
so that just two out of the 200,000 cells in its brain
173
431000
4000
že len dve z 200 000 buniek v jej mozgu
07:30
expressed the light-activated pore.
174
435000
3000
mali svetlom aktivovaný pór.
07:33
You're familiar with these cells
175
438000
2000
Takéto bunky sú vám známe,
07:35
because they are the ones that frustrate you
176
440000
2000
lebo to sú tie, ktoré vás frustrujú,
07:37
when you try to swat the fly.
177
442000
2000
keď sa snažíte zabiť muchu.
07:39
They trained the escape reflex that makes the fly jump into the air
178
444000
3000
Sú zodpovedné za únikový reflex, vďaka ktorému mucha vyskočí do vzduchu
07:42
and fly away whenever you move your hand in position.
179
447000
3000
a odletí preč, vždy keď sa zaženiete.
07:46
And you can see here that the flash of light has exactly the same effect.
180
451000
3000
A tu vidíte, že záblesk svetla má presne ten istý efekt.
07:49
The animal jumps, it spreads its wings, it vibrates them,
181
454000
3000
Zviera vyskočí, rozprestrie krídla, vibruje nimi
07:52
but it can't actually take off
182
457000
2000
ale odletieť v skutočnosti nemôže,
07:54
because the fly is sandwiched between two glass plates.
183
459000
3000
lebo je medzi dvoma sklenenými tabuľami.
07:58
Now to make sure that this was no reaction of the fly
184
463000
2000
No aby sme sa uistili, že to nebola reakcia muchy
08:00
to a flash it could see,
185
465000
3000
na to, že vidí záblesk,
08:03
Susana did a simple
186
468000
2000
Susana spravila jednoduchý
08:05
but brutally effective experiment.
187
470000
2000
ale brutálne efektívny experiment.
08:07
She cut the heads off of her flies.
188
472000
3000
Odrezala muchám hlavy.
08:11
These headless bodies can live for about a day,
189
476000
3000
Takéto bezhlavé telá žijú ešte tak deň,
08:14
but they don't do much.
190
479000
2000
ale veľa toho nenarobia.
08:16
They just stand around
191
481000
3000
Len tak postávajú
08:19
and groom excessively.
192
484000
3000
a nadmerne sa čistia.
08:22
So it seems that the only trait that survives decapitation is vanity.
193
487000
3000
Zdá sa, že jediná osobnostná črta, ktorá prežije odťatie hlavy je márnivosť.
08:25
(Laughter)
194
490000
3000
(Smiech)
08:30
Anyway, as you'll see in a moment,
195
495000
2000
Každopádne, ako o chvíľu uvidíte,
08:32
Susana was able to turn on the flight motor
196
497000
3000
Susana dokázala zapnúť letecký motor,
08:35
of what's the equivalent of the spinal cord of these flies
197
500000
3000
ktorý je ekvivalentom predĺženej miechy u tohto druhu múch,
08:38
and get some of the headless bodies
198
503000
2000
a prinútila niektoré bezhlavé telá,
08:40
to actually take off and fly away.
199
505000
3000
aby vzlietli a odleteli preč.
08:47
They didn't get very far, obviously.
200
512000
2000
Veľmi ďaleko sa prirodzene nedostali.
08:50
Since we took these first steps,
201
515000
2000
Týmito našimi prvými krokmi
08:52
the field of optogenetics has exploded.
202
517000
3000
sa naštartovala oblasť optogenetiky.
08:55
And there are now hundreds of labs
203
520000
2000
Teraz existujú stovky laboratórií
08:57
using these approaches.
204
522000
2000
využívajúcich tieto vedecké postupy.
08:59
And we've come a long way
205
524000
2000
Už sme prešli kus cesty
09:01
since Galvani's and Susana's first successes
206
526000
3000
od Galvaniho a Susaniných prvých úspechov,
09:04
in making animals twitch or jump.
207
529000
2000
od zvierat, ktoré šklbnú končatinou a vyskakujú.
09:06
We can now actually interfere with their psychology
208
531000
3000
Teraz môžme zasiahnuť do ich psychológie
09:09
in rather profound ways,
209
534000
2000
zložitejšími spôsobmi.
09:11
as I'll show you in my last example,
210
536000
2000
To vám ukážem v mojom poslednom experimente,
09:13
which is directed at a familiar question.
211
538000
3000
ktorý je zameraný na známu otázku.
09:16
Life is a string of choices
212
541000
3000
Život je sledom rozhodnutí
09:19
creating a constant pressure to decide what to do next.
213
544000
3000
vytvrárajúcich neustály tlak rozhodnúť sa, čo ďalej.
09:23
We cope with this pressure by having brains,
214
548000
3000
S týmto tlakom sa vyrovnávame tak, že máme mozgy
09:26
and within our brains, decision-making centers
215
551000
3000
a v našich mozgoch centrá rozhodovania,
09:29
that I've called here the "Actor."
216
554000
3000
ktoré som tu nazval Actor.
09:33
The Actor implements a policy that takes into account
217
558000
3000
Actor usktočňuje postup, ktorý berie do úvahy
09:36
the state of the environment
218
561000
2000
stav okolitého prostredia
09:38
and the context in which we operate.
219
563000
3000
a kontext, v ktorom pôsobíme.
09:41
Our actions change the environment, or context,
220
566000
3000
Naše akcie menia prostredie, či kontext,
09:44
and these changes are then fed back into the decision loop.
221
569000
3000
a tieto zmeny sa opäť stávajú predmetom rozhodovania.
09:48
Now to put some neurobiological meat
222
573000
3000
Aby sme do tohto abstraktného modelu
09:51
on this abstract model,
223
576000
2000
dostali trochu neurobiológie,
09:53
we constructed a simple one-dimensional world
224
578000
2000
vytvorili sme jednoduchý, jednodimenzionálny svet
09:55
for our favorite subject, fruit flies.
225
580000
3000
pre naše najobľúbenejšie subjekty, octomilky.
09:58
Each chamber in these two vertical stacks
226
583000
2000
V každej komore v týchto dvoch vertikálnych stĺpikoch
10:00
contains one fly.
227
585000
2000
sa nachádza jeden jedinec.
10:02
The left and the right halves of the chamber
228
587000
3000
Pravá a ľavá polovica komory
10:05
are filled with two different odors,
229
590000
2000
je naplnená odlišným zápachom
10:07
and a security camera watches
230
592000
2000
a kamera sníma,
10:09
as the flies pace up and down between them.
231
594000
3000
ako jedince chodia hore a dolu medzi nimi.
10:12
Here's some such CCTV footage.
232
597000
2000
Tu je takýto videozáznam.
10:14
Whenever a fly reaches the midpoint of the chamber
233
599000
3000
Vždy, keď jedinec dosiahne stredný bod komory,
10:17
where the two odor streams meet,
234
602000
2000
kde sa stretávaú dva zápachy,
10:19
it has to make a decision.
235
604000
2000
musí sa rozhodnúť.
10:21
It has to decide whether to turn around
236
606000
2000
Rozhodnúť sa, či sa otočí
10:23
and stay in the same odor,
237
608000
2000
a zostane v rovnakom pachu
10:25
or whether to cross the midline
238
610000
2000
alebo prejde hranicou
10:27
and try something new.
239
612000
2000
a skúsi niečo nové.
10:29
These decisions are clearly a reflection
240
614000
3000
Takéto rozhodnutia sú odrazom toho,
10:32
of the Actor's policy.
241
617000
3000
čo vykonáva Actor.
10:36
Now for an intelligent being like our fly,
242
621000
3000
Pre inteligentnú bytosť akou je naša mucha
10:39
this policy is not written in stone
243
624000
3000
tento postup nie je vopred určený,
10:42
but rather changes as the animal learns from experience.
244
627000
3000
ale mení sa tak, ako sa zviera učí zo skúseností.
10:45
We can incorporate such an element
245
630000
2000
Môžme zahrnúť takýto prvok
10:47
of adaptive intelligence into our model
246
632000
3000
adaptívnej inteligencie do nášho modelu,
10:50
by assuming that the fly's brain
247
635000
2000
ak predpokladáme, že mozog muchy
10:52
contains not only an Actor,
248
637000
2000
neobsahuje len Actor,
10:54
but a different group of cells,
249
639000
2000
ale aj inú skupinu buniek,
10:56
a "Critic," that provides a running commentary
250
641000
3000
Critic, ktorá zabezpečuje sústavné hodnotenie
10:59
on the Actor's choices.
251
644000
2000
Actorových rozhodnutí.
11:01
You can think of this nagging inner voice
252
646000
3000
Môžte si to predstaviť ako vnútorný hlas, ktorý vás komaduje,
11:04
as sort of the brain's equivalent
253
649000
2000
ako mozgový ekvivalent
11:06
of the Catholic Church,
254
651000
2000
katolíckej cirkvi,
11:08
if you're an Austrian like me,
255
653000
3000
ak ste Rakúšan ako ja,
11:11
or the super-ego, if you're Freudian,
256
656000
3000
ako superego, ak ste stúpencom Freuda,
11:14
or your mother, if you're Jewish.
257
659000
2000
a ako vašu matku, ak ste Žid.
11:16
(Laughter)
258
661000
4000
(Smiech)
11:20
Now obviously,
259
665000
2000
Takže zjavne,
11:22
the Critic is a key ingredient
260
667000
3000
kritika je kľúčovou súčasťou toho,
11:25
in what makes us intelligent.
261
670000
2000
čo nás robí inteligentnými.
11:27
So we set out to identify
262
672000
2000
Takže sme sa vydali hľadať
11:29
the cells in the fly's brain
263
674000
2000
tie bunky v mozgu muchy,
11:31
that played the role of the Critic.
264
676000
2000
ktoré hrali úlohu Critic-a.
11:33
And the logic of our experiment was simple.
265
678000
3000
Logika nášho experimentu bola jednoduchá.
11:36
We thought if we could use our optical remote control
266
681000
3000
Ak by sme mohli použiť našu optickú diaľkovú kontrolu
11:39
to activate the cells of the Critic,
267
684000
3000
na aktivovanie buniek Critic-a,
11:42
we should be able, artificially, to nag the Actor
268
687000
3000
mali by sme byť schopní, umelo, prinútiť Actora
11:45
into changing its policy.
269
690000
2000
zmeniť jeho postup.
11:47
In other words,
270
692000
2000
Inými slovami,
11:49
the fly should learn from mistakes
271
694000
2000
mucha by sa mala učiť z chýb,
11:51
that it thought it had made
272
696000
2000
ktoré si myslí, že urobila
11:53
but, in reality, it had not made.
273
698000
3000
ale v skutočnosti ich neurobila.
11:56
So we bred flies
274
701000
2000
Takže sme vychovali muchy,
11:58
whose brains were more or less randomly peppered
275
703000
3000
ktorých mozgy boli viac či menej náhodne okorenené
12:01
with cells that were light addressable.
276
706000
2000
svetlo citlivými bunkami.
12:03
And then we took these flies
277
708000
2000
Potom sme zobrali tieto muchy
12:05
and allowed them to make choices.
278
710000
2000
a umožnili im rozhodovanie.
12:07
And whenever they made one of the two choices,
279
712000
2000
A vždy, keď spravili jedno rozhodnutie,
12:09
chose one odor,
280
714000
2000
vybrali si jeden zápach,
12:11
in this case the blue one over the orange one,
281
716000
2000
v tomto prípade modrý na úkor oranžového,
12:13
we switched on the lights.
282
718000
2000
zapli sme svetlo.
12:15
If the Critic was among the optically activated cells,
283
720000
3000
Ak bol Critic medzi bunkami aktivovanými svetlom,
12:18
the result of this intervention
284
723000
2000
výsledkom takéhoto zásahu
12:20
should be a change in policy.
285
725000
3000
by mala byť zmena ich postupu.
12:23
The fly should learn to avoid
286
728000
2000
Muchy by sa mali naučiť vyhýbať
12:25
the optically reinforced odor.
287
730000
2000
opticky posilnenému zápachu.
12:27
Here's what happened in two instances:
288
732000
3000
Tu máme dve situácie.
12:30
We're comparing two strains of flies,
289
735000
3000
Porovnávame dva druhy múch,
12:33
each of them having
290
738000
2000
každá z nich má v mozgu
12:35
about 100 light-addressable cells in their brains,
291
740000
2000
asi 100 svetlo citlivých buniek.
12:37
shown here in green on the left and on the right.
292
742000
3000
Tu sú znázornené zeleným vľavo a vpravo.
12:40
What's common among these groups of cells
293
745000
3000
Čo majú tieto skupiny buniek spoločné je,
12:43
is that they all produce the neurotransmitter dopamine.
294
748000
3000
že produkujú neurotransmiter dopamín.
12:46
But the identities of the individual
295
751000
2000
Ale identity individuálneho
12:48
dopamine-producing neurons
296
753000
2000
dopamín produkujúceho neurónu
12:50
are clearly largely different on the left and on the right.
297
755000
3000
sú výrazne odlišné naľavo a vpravo.
12:53
Optically activating
298
758000
2000
Svetlom aktivovaná
12:55
these hundred or so cells
299
760000
2000
približne stovka buniek
12:57
into two strains of flies
300
762000
2000
u týchto dvoch druhov múch,
12:59
has dramatically different consequences.
301
764000
2000
má dramaticky odlišné dôsledky.
13:01
If you look first at the behavior
302
766000
2000
Ak sa najprv pozriete na správanie
13:03
of the fly on the right,
303
768000
2000
muchy napravo,
13:05
you can see that whenever it reaches the midpoint of the chamber
304
770000
3000
vidíte, že vždy keď dosiahne stred komory,
13:08
where the two odors meet,
305
773000
2000
kde sa stretávajú dva zápachy,
13:10
it marches straight through, as it did before.
306
775000
3000
vkročí doň, tak ako to robila predtým.
13:13
Its behavior is completely unchanged.
307
778000
2000
Jej správanie je úplne nezmenené.
13:15
But the behavior of the fly on the left is very different.
308
780000
3000
Ale správanie muchy naľavo je úplne iné.
13:18
Whenever it comes up to the midpoint,
309
783000
3000
Vždy keď príde do stredu,
13:21
it pauses,
310
786000
2000
zastane,
13:23
it carefully scans the odor interface
311
788000
2000
pozorne skúma hranice zápachov,
13:25
as if it was sniffing out its environment,
312
790000
2000
akoby ovoniavala svoje okolie,
13:27
and then it turns around.
313
792000
2000
a potom sa otočí naspäť.
13:29
This means that the policy that the Actor implements
314
794000
3000
To znamená, že postup, ktorý Actor vykonáva
13:32
now includes an instruction to avoid the odor
315
797000
2000
teraz zahŕňa inštrukciu vyhnúť sa zápachu,
13:34
that's in the right half of the chamber.
316
799000
3000
ktorý je v pravej polovici komory.
13:37
This means that the Critic
317
802000
2000
To znamená, že Critic,
13:39
must have spoken in that animal,
318
804000
2000
v tomto zvierati prehovoril,
13:41
and that the Critic must be contained
319
806000
2000
a že Critic musí byť obsiahnutý
13:43
among the dopamine-producing neurons on the left,
320
808000
3000
medzi dopamín produkujúcimi neurónmi vľavo,
13:46
but not among the dopamine producing neurons on the right.
321
811000
3000
ale nie medzi dopamín produkujúcimi neurónmi vpravo.
13:49
Through many such experiments,
322
814000
3000
Pomocou takýchto experimentov
13:52
we were able to narrow down
323
817000
2000
sme boli schopní upresniť
13:54
the identity of the Critic
324
819000
2000
identitu Critic-a
13:56
to just 12 cells.
325
821000
2000
na iba 12 buniek.
13:58
These 12 cells, as shown here in green,
326
823000
3000
Týchto 12 buniek, znázornených zelenou farbou,
14:01
send the output to a brain structure
327
826000
2000
posiela výstup do mozgovej časti
14:03
called the "mushroom body,"
328
828000
2000
zvanej hubovité teleso,
14:05
which is shown here in gray.
329
830000
2000
znázornenej sivou.
14:07
We know from our formal model
330
832000
2000
Z nášho formálneho modelu vieme,
14:09
that the brain structure
331
834000
2000
že mozgová štruktúra
14:11
at the receiving end of the Critic's commentary is the Actor.
332
836000
3000
na príjmajúcom konci Critic-a je Actor.
14:14
So this anatomy suggests
333
839000
2000
Táto anatómia naznačuje,
14:16
that the mushroom bodies have something to do
334
841000
3000
že hubovité telesá majú niečo dočinenia
14:19
with action choice.
335
844000
2000
s rozhodovaním.
14:21
Based on everything we know about the mushroom bodies,
336
846000
2000
Vzhľadom na to, čo o hubovitých telesách vieme,
14:23
this makes perfect sense.
337
848000
2000
to dáva úplný zmysel.
14:25
In fact, it makes so much sense
338
850000
2000
V skutočnosti, to dáva až taký zmysel,
14:27
that we can construct an electronic toy circuit
339
852000
3000
že môžeme skonštruovať elektronický obvod,
14:30
that simulates the behavior of the fly.
340
855000
3000
ktorý simuluje správanie muchy.
14:33
In this electronic toy circuit,
341
858000
3000
V tomto elektrickom obvode,
14:36
the mushroom body neurons are symbolized
342
861000
2000
sú neuróny hubovitéto telesa znázornené
14:38
by the vertical bank of blue LEDs
343
863000
3000
vertikálnou stenou modrých LED diód
14:41
in the center of the board.
344
866000
3000
uprostred dosky.
14:44
These LED's are wired to sensors
345
869000
2000
Tieto LED diódy sú zapojené k senzorom,
14:46
that detect the presence of odorous molecules in the air.
346
871000
3000
ktoré zisťujú prítomnosť pachových molekúl vo vzduchu.
14:50
Each odor activates a different combination of sensors,
347
875000
3000
Každý zápach aktivuje inú kombináciu senzorov,
14:53
which in turn activates
348
878000
2000
ktoré aktivujú
14:55
a different odor detector in the mushroom body.
349
880000
3000
odlišný detektor zápachu v hubovitom telese.
14:58
So the pilot in the cockpit of the fly,
350
883000
2000
Takže pilot v kokpite muchy,
15:00
the Actor,
351
885000
2000
teda Actor,
15:02
can tell which odor is present
352
887000
2000
zistí, ktorý zápach je prítomný
15:04
simply by looking at which of the blue LEDs lights up.
353
889000
4000
tým, že sa pozrie, ktorá z modrých LED diód svieti.
15:09
What the Actor does with this information
354
894000
2000
Čo Actor s touto informáciou vykoná
15:11
depends on its policy,
355
896000
2000
závisí od jeho postupu,
15:13
which is stored in the strengths of the connection,
356
898000
2000
ktorý je uchovávaný v sile a počte spojení
15:15
between the odor detectors
357
900000
2000
medzi detektormi pachu
15:17
and the motors
358
902000
2000
a motormi,
15:19
that power the fly's evasive actions.
359
904000
2000
ktoré spustia únikovú reakciu muchy.
15:22
If the connection is weak, the motors will stay off
360
907000
2000
Ak je spojenie slabé, motory zostanú vypnuté
15:24
and the fly will continue straight on its course.
361
909000
3000
a mucha bude pokračovať v jej smere.
15:27
If the connection is strong, the motors will turn on
362
912000
3000
Ak je spojenie silné, motory sa zapnú
15:30
and the fly will initiate a turn.
363
915000
3000
a mucha sa otočí.
15:33
Now consider a situation
364
918000
2000
Predstavte si situáciu,
15:35
in which the motors stay off,
365
920000
2000
keď motory ostanú vypnuté
15:37
the fly continues on its path
366
922000
3000
a mucha pokračuje v jej smere
15:40
and it suffers some painful consequence
367
925000
2000
a následne utrpí niečo bolestivé,
15:42
such as getting zapped.
368
927000
2000
niečo ju napríklad poraní.
15:44
In a situation like this,
369
929000
2000
V takejto situácii
15:46
we would expect the Critic to speak up
370
931000
2000
by sme očakávali, že prehovorí Critic
15:48
and to tell the Actor
371
933000
2000
a povie Actor-ovi,
15:50
to change its policy.
372
935000
2000
aby zmenil svoj postup.
15:52
We have created such a situation, artificially,
373
937000
3000
Takúto situáciu sme navodili umelo
15:55
by turning on the critic with a flash of light.
374
940000
3000
zapnutím Critic-a zábleskom svetla.
15:58
That caused a strengthening of the connections
375
943000
3000
To spôsobilo zosilnenie spojení
16:01
between the currently active odor detector
376
946000
3000
medzi práve aktívnym detektorom pachu
16:04
and the motors.
377
949000
2000
a motormi.
16:06
So the next time
378
951000
2000
Takže nabudúce,
16:08
the fly finds itself facing the same odor again,
379
953000
3000
keď bude mucha čeliť rovnakému zápachu,
16:11
the connection is strong enough to turn on the motors
380
956000
3000
spojenie bude dostatočne silné, aby zaplo motory
16:14
and to trigger an evasive maneuver.
381
959000
3000
a spustilo únikový manéver.
16:19
I don't know about you,
382
964000
3000
Neviem ako vám,
16:22
but I find it exhilarating to see
383
967000
3000
ale mne pripadá vzrušujúce,
16:25
how vague psychological notions
384
970000
3000
ako sa vágne psychologické poznatky
16:28
evaporate and give rise
385
973000
2000
rozplývajú a ustupujú
16:30
to a physical, mechanistic understanding of the mind,
386
975000
3000
fyzikálnemu, mechanistickému pochopeniu mysle,
16:33
even if it's the mind of the fly.
387
978000
3000
aj keď je to len myseľ muchy.
16:36
This is one piece of good news.
388
981000
3000
Toto je jedna dobrá správa.
16:39
The other piece of good news,
389
984000
2000
Druhou dobrou správou je,
16:41
for a scientist at least,
390
986000
2000
že, prinajmenšom pre vedca,
16:43
is that much remains to be discovered.
391
988000
3000
mnohé ešte treba odhaliť.
16:46
In the experiments I told you about,
392
991000
2000
V experimentoch, o ktorých som vám rozprával,
16:48
we have lifted the identity of the Critic,
393
993000
3000
sme odhalili identitu Critic-a,
16:51
but we still have no idea
394
996000
2000
ale stále nemáme žiadnu predstavu,
16:53
how the Critic does its job.
395
998000
2000
ako sám Critic funguje.
16:55
Come to think of it, knowing when you're wrong
396
1000000
2000
Keď na to príde, ako zistíte, že sa mýlite
16:57
without a teacher, or your mother, telling you,
397
1002000
3000
bez učiteľa, či matky, ktorí vám to povedia?
17:00
is a very hard problem.
398
1005000
2000
Je to problém.
17:02
There are some ideas in computer science
399
1007000
2000
Určité predstavy v počítačovej vede
17:04
and in artificial intelligence
400
1009000
2000
a umelej inteligencii,
17:06
as to how this might be done,
401
1011000
2000
nazačujú, ako by to mohlo fungovať,
17:08
but we still haven't solved
402
1013000
2000
ale ešte sme nevyriešili
17:10
a single example
403
1015000
2000
jediný príklad
17:12
of how intelligent behavior
404
1017000
3000
toho, ako sa inteligentné správanie
17:15
springs from the physical interactions
405
1020000
2000
vynorí z fyziologickej interakcie
17:17
in living matter.
406
1022000
2000
v žijúcej hmote.
17:19
I think we'll get there in the not too distant future.
407
1024000
3000
Myslím, že to zistíme v nie tak ďalekej budúcnosti.
17:22
Thank you.
408
1027000
2000
Ďakujem vám.
17:24
(Applause)
409
1029000
4000
(Potlesk)
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