TEDxCaltech
Michael Dickinson: How a fly flies
Michael Dickinson: Wie eine Fliege fliegt
Filmed:
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Die Flugfähigkeit eines Insektes ist vielleicht eine der größten Leistungen der Evolution. Michael Dickinson beobachtet, wie eine gewöhnliche Stubenfliege mit solch zarten Flügeln fliegt –einer cleveren Schlagbewegung sei dank und Flugmuskeln, die sowohl leistungsstark als auch wendig sind. Aber die geheime Zutat ist: das unglaubliche Gehirn der Fliege. (gefilmt in 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
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00:16
I grew up watching Star Trek. I love Star Trek.
0
545
3532
Ich bin mit Star Trek aufgewachsen.
Ich liebe Star Trek.
Ich liebe Star Trek.
00:19
Star Trek made me want to see alien creatures,
1
4077
4462
Wegen Star Trek wollte
ich Aliens sehen,
ich Aliens sehen,
00:24
creatures from a far-distant world.
2
8539
2303
Kreaturen von einer weit
entfernten Welt.
entfernten Welt.
00:26
But basically, I figured out that I could find
3
10842
2787
Aber dann fand ich heraus,
00:29
those alien creatures right on Earth.
4
13629
2977
dass ich Aliens direkt auf
der Erde finden konnte.
der Erde finden konnte.
00:32
And what I do is I study insects.
5
16606
2653
Ich studiere nämlich Insekten.
00:35
I'm obsessed with insects, particularly insect flight.
6
19259
3256
Ich bin besessen von Insekten,
besonders von ihrem Flug.
besonders von ihrem Flug.
00:38
I think the evolution of insect flight is perhaps
7
22515
3141
Ich halte die Entwicklung
des Insektenflugs
des Insektenflugs
00:41
one of the most important events in the history of life.
8
25656
2742
für eines der wichtigsten Ereignisse
in der Geschichte des Lebens.
in der Geschichte des Lebens.
00:44
Without insects, there'd be no flowering plants.
9
28398
2237
Ohne Insekten gäbe es keine
blühenden Pflanzen.
blühenden Pflanzen.
00:46
Without flowering plants, there would be no
10
30635
1916
Ohne blühende Pflanzen gäbe es keine
00:48
clever, fruit-eating primates giving TED Talks.
11
32551
3137
cleveren, fruchtessenden
Primaten, die TEDTalks halten.
Primaten, die TEDTalks halten.
00:51
(Laughter)
12
35688
2300
(Lachen)
00:53
Now,
13
37988
1987
Nun,
00:55
David and Hidehiko and Ketaki
14
39975
3039
David, Hidehiko und Ketaki
00:58
gave a very compelling story about
15
43014
3445
erzählten eine fesselnde
Geschichte über
Geschichte über
01:02
the similarities between fruit flies and humans,
16
46459
2805
die Gemeinsamkeiten von
Fruchtfliegen und Menschen,
Fruchtfliegen und Menschen,
01:05
and there are many similarities,
17
49264
1489
und da gibt es viele.
01:06
and so you might think that if humans are similar to fruit flies,
18
50753
3002
Und wenn sich beide ähnlich sind,
könnte man denken,
könnte man denken,
01:09
the favorite behavior of a fruit fly might be this, for example --
19
53755
3797
dass eine Fruchtfliege vielleicht
das hier am liebsten macht –
das hier am liebsten macht –
01:13
(Laughter)
20
57552
2282
(Lachen)
01:15
but in my talk, I don't want to emphasize on the similarities
21
59834
3191
aber in meiner Rede möchte ich
nicht die Gemeinsamkeiten
nicht die Gemeinsamkeiten
01:18
between humans and fruit flies, but rather the differences,
22
63025
3067
von Menschen und Fruchtfliegen herausstelllen,
sondern eher ihre Unterschiede
sondern eher ihre Unterschiede
01:21
and focus on the behaviors that I think fruit flies excel at doing.
23
66092
5287
und mich auf die Verhaltensweisen konzentrieren,
in denen Fruchtfliegen hervorragend sind.
in denen Fruchtfliegen hervorragend sind.
01:27
And so I want to show you a high-speed video sequence
24
71379
2856
Ich möchte Ihnen eine
Hochgeschwindigkeits-Videosequenz zeigen,
Hochgeschwindigkeits-Videosequenz zeigen,
01:30
of a fly shot at 7,000 frames per second in infrared lighting,
25
74235
3935
in der man eine Fliege mit 7 000 Bildern
pro Sekunde in Infrarotlicht sieht,
pro Sekunde in Infrarotlicht sieht,
01:34
and to the right, off-screen, is an electronic looming predator
26
78170
4210
und rechts, außerhalb des Bildes,
ist ein elektronisches Raubtier,
ist ein elektronisches Raubtier,
01:38
that is going to go at the fly.
27
82380
1435
das die Fliege angreift.
01:39
The fly is going to sense this predator.
28
83815
1838
Die Fliege nimmt
den Räuber wahr.
den Räuber wahr.
01:41
It is going to extend its legs out.
29
85653
2455
Sie breitet ihre Beine aus
01:44
It's going to sashay away
30
88108
1613
und huscht weg,
01:45
to live to fly another day.
31
89721
2565
um einen weiteren Tag zu leben.
01:48
Now I have carefully cropped this sequence
32
92286
2362
Diese Sequenz hat
bewusst die Länge
bewusst die Länge
01:50
to be exactly the duration of a human eye blink,
33
94648
3160
eines menschlichen
Augenblinzelns.
Augenblinzelns.
01:53
so in the time that it would take you to blink your eye,
34
97808
2834
In der Zeit, die Sie zum Blinzeln brauchen,
01:56
the fly has seen this looming predator,
35
100642
3265
hat die Fliege dieses
bedrohliche Raubtier gesehen,
bedrohliche Raubtier gesehen,
01:59
estimated its position, initiated a motor pattern to fly it away,
36
103907
6168
seine Position abgeschätzt
und die Flucht eingeleitet,
und die Flucht eingeleitet,
02:05
beating its wings at 220 times a second as it does so.
37
110075
4464
während ihre Flügel 220 Mal
pro Sekunde schlagen.
pro Sekunde schlagen.
02:10
I think this is a fascinating behavior
38
114539
1973
Ein faszinierendes Verhalten, das zeigt,
02:12
that shows how fast the fly's brain can process information.
39
116512
3921
wie schnell die Fliege Informationen verarbeitet.
02:16
Now, flight -- what does it take to fly?
40
120433
2842
Was braucht man zum Fliegen?
02:19
Well, in order to fly, just as in a human aircraft,
41
123275
2864
Um zu fliegen, genau wie
in der Luftfahrt,
in der Luftfahrt,
02:22
you need wings that can generate sufficient aerodynamic forces,
42
126139
2735
braucht man Flügel, die ausreichende
aerodynamische Kräfte entwickeln können,
aerodynamische Kräfte entwickeln können,
02:24
you need an engine sufficient to generate the power required for flight,
43
128874
3546
man braucht einen Antrieb,
der genug Energie zum Fliegen erzeugt
der genug Energie zum Fliegen erzeugt
02:28
and you need a controller,
44
132420
1709
und man braucht Steuerung.
02:30
and in the first human aircraft, the controller was basically
45
134129
2626
Und im ersten Flugzeug
war die Steuerung
war die Steuerung
02:32
the brain of Orville and Wilbur sitting in the cockpit.
46
136755
4312
das Gehirn von Orville und
Wilbur, die im Cockpit saßen.
Wilbur, die im Cockpit saßen.
02:36
Now, how does this compare to a fly?
47
141067
2753
Wie verhält sich das bei der Fliege?
02:39
Well, I spent a lot of my early career trying to figure out
48
143820
3251
Einen Großteil meiner frühen Karriere
wollte ich herausfinden,
wollte ich herausfinden,
02:42
how insect wings generate enough force to keep the flies in the air.
49
147071
4336
wie die Flügel der Insekten genug Kraft
generieren, um sich in der Luft zu halten.
generieren, um sich in der Luft zu halten.
02:47
And you might have heard how engineers proved
50
151407
1610
Vielleicht haben Sie
vom Beweis gehört,
vom Beweis gehört,
02:48
that bumblebees couldn't fly.
51
153017
2634
dass Hummeln
nicht fliegen können.
nicht fliegen können.
02:51
Well, the problem was in thinking that the insect wings
52
155651
2620
Das Problem war die Annahme,
dass Insektenflügel
dass Insektenflügel
02:54
function in the way that aircraft wings work. But they don't.
53
158271
3119
so funktionieren wie Flugzeugflügel.
Aber das ist nicht so.
Aber das ist nicht so.
02:57
And we tackle this problem by building giant,
54
161390
2854
Und wir bauten für dieses Problem
einen dynamisch
einen dynamisch
03:00
dynamically scaled model robot insects
55
164244
3432
skalierten Riesen-Insekten-Roboter,
03:03
that would flap in giant pools of mineral oil
56
167676
3336
der in riesigen Mineralölpools flatterte,
03:06
where we could study the aerodynamic forces.
57
171012
2274
um die aerodynamischen Kräfte
untersuchen zu können.
untersuchen zu können.
03:09
And it turns out that the insects flap their wings
58
173286
2158
Wir fanden heraus, dass
Insekten ihre Flügel
Insekten ihre Flügel
03:11
in a very clever way, at a very high angle of attack
59
175444
2592
sehr intelligent schlagen,
mit einem hohen Anstellwinkel,
mit einem hohen Anstellwinkel,
03:13
that creates a structure at the leading edge of the wing,
60
178036
3121
der an der Vorderkante
eine Struktur schafft,
eine Struktur schafft,
03:17
a little tornado-like structure called a leading edge vortex,
61
181157
3199
eine tornadoartige Struktur,
die Vorderkantenwirbel heißt.
die Vorderkantenwirbel heißt.
03:20
and it's that vortex that actually enables the wings
62
184356
2954
Und dieser Wirbel lässt die Flügel
genügend Kraft erzeugen,
genügend Kraft erzeugen,
03:23
to make enough force for the animal to stay in the air.
63
187310
3359
damit das Tier sich in der Luft halten kann.
03:26
But the thing that's actually most -- so, what's fascinating
64
190669
2428
Aber das Faszinierendste
03:28
is not so much that the wing has some interesting morphology.
65
193097
2975
ist nicht die interessante
Flügelmorphologie.
Flügelmorphologie.
03:31
What's clever is the way the fly flaps it,
66
196072
3645
Das Clevere dabei
ist das Flügelschlagen,
ist das Flügelschlagen,
03:35
which of course ultimately is controlled by the nervous system,
67
199717
3136
das letztendlich vom
Nervensystem kontrolliert wird.
Nervensystem kontrolliert wird.
03:38
and this is what enables flies to perform
68
202853
2647
Und dies ermöglicht Fliegen diese
03:41
these remarkable aerial maneuvers.
69
205500
2807
eindrucksvollen Flugmanöver.
03:44
Now, what about the engine?
70
208307
2097
Aber wie verhält es sich mit dem Motor?
03:46
The engine of the fly is absolutely fascinating.
71
210404
2492
Der Motor der Fliege
ist absolut faszinierend.
ist absolut faszinierend.
03:48
They have two types of flight muscle:
72
212896
1898
Sie haben 2 Typen
an Flugmuskulatur:
an Flugmuskulatur:
03:50
so-called power muscle, which is stretch-activated,
73
214794
2985
der Kraftmuskel wird
durch Strecken aktiviert,
durch Strecken aktiviert,
03:53
which means that it activates itself and does not need to be controlled
74
217779
3726
er aktiviert sich also selbst
und bedarf nicht bei
und bedarf nicht bei
03:57
on a contraction-by-contraction basis by the nervous system.
75
221505
3339
jeder einzelnen Kontraktion
die Steuerung des Nervensystems.
die Steuerung des Nervensystems.
04:00
It's specialized to generate the enormous power required for flight,
76
224844
4609
Er generiert die enorme Kraft,
die für das Fliegen nötig ist,
die für das Fliegen nötig ist,
04:05
and it fills the middle portion of the fly,
77
229453
2079
und macht den mittleren Teil einer Fliege aus.
04:07
so when a fly hits your windshield,
78
231532
1547
Bei einer Fliege auf Ihrer Windschutzscheibe
04:08
it's basically the power muscle that you're looking at.
79
233079
2406
sehen Sie im Prinzip also ihren Kraftmuskel.
04:11
But attached to the base of the wing
80
235485
2146
Aber an der Flügelbasis
04:13
is a set of little, tiny control muscles
81
237631
2638
ist ein Satz kleiner Kontrollmuskeln,
04:16
that are not very powerful at all, but they're very fast,
82
240269
3301
die gar nicht stark sind,
aber dafür sehr schnell,
aber dafür sehr schnell,
04:19
and they're able to reconfigure the hinge of the wing
83
243570
3206
und die in der Lage sind,
das Flügelscharnier
das Flügelscharnier
04:22
on a stroke-by-stroke basis,
84
246776
1762
Schlag für Schlag
zu rekonfigurieren
zu rekonfigurieren
04:24
and this is what enables the fly to change its wing
85
248538
3142
und das befähigt Fliegen dazu,
ihre Flügel zu ändern
ihre Flügel zu ändern
04:27
and generate the changes in aerodynamic forces
86
251680
2971
und die aerodynamischen
Kräfte zu generieren,
Kräfte zu generieren,
04:30
which change its flight trajectory.
87
254651
2573
die den Lauf der Flugbahn ändern.
04:33
And of course, the role of the nervous system is to control all this.
88
257224
3563
Und das Nervensystem
steuert natürlich alles.
steuert natürlich alles.
04:36
So let's look at the controller.
89
260787
1512
Sehen wir uns die Steuerung an.
04:38
Now flies excel in the sorts of sensors
90
262299
2647
Fliegen haben Unmengen
dieser Sensoren
dieser Sensoren
04:40
that they carry to this problem.
91
264946
2284
zur Problemlösung.
04:43
They have antennae that sense odors and detect wind detection.
92
267230
4127
Sie haben Antennen, die Düfte
und Windströme wahrnehmen.
und Windströme wahrnehmen.
04:47
They have a sophisticated eye which is
93
271357
1675
Ihr ausgeklügeltes Auge ist
04:48
the fastest visual system on the planet.
94
273032
2456
das schnellste visuelle System
unseres Planeten.
unseres Planeten.
04:51
They have another set of eyes on the top of their head.
95
275488
2036
Auf dem Kopf haben sie
noch einen Satz Augen.
noch einen Satz Augen.
04:53
We have no idea what they do.
96
277524
2052
Wir haben keine Ahnung, wozu.
04:55
They have sensors on their wing.
97
279576
2954
Sie haben Sensoren auf ihren Flügeln.
04:58
Their wing is covered with sensors, including sensors
98
282530
3760
Ihre Flügel sind mit Sensoren
übersät, einige können auch
übersät, einige können auch
05:02
that sense deformation of the wing.
99
286290
2046
eine Flügeldeformation erkennen.
05:04
They can even taste with their wings.
100
288336
2109
Sie können sogar
mit ihren Flügeln schmecken.
mit ihren Flügeln schmecken.
05:06
One of the most sophisticated sensors a fly has
101
290445
2555
Einer der ausgeklügeltsten
Sensoren einer Fliege
Sensoren einer Fliege
05:08
is a structure called the halteres.
102
293000
1807
ist eine Struktur namens "Halteren".
05:10
The halteres are actually gyroscopes.
103
294807
1879
Halteren sind Gyroskope.
05:12
These devices beat back and forth about 200 hertz during flight,
104
296686
4449
Sie schlagen während des Fluges
mit einer Frequenz von 200 Hertz
mit einer Frequenz von 200 Hertz
05:17
and the animal can use them to sense its body rotation
105
301135
2673
und die Fliege kann damit ihre
Körperdrehung erfühlen
Körperdrehung erfühlen
05:19
and initiate very, very fast corrective maneuvers.
106
303808
3968
und sehr schnell
Korrekturmanöver einleiten.
Korrekturmanöver einleiten.
05:23
But all of this sensory information has to be processed
107
307776
2329
Aber all diese sensorischen
Informationen brauchen
Informationen brauchen
05:26
by a brain, and yes, indeed, flies have a brain,
108
310105
3720
ein Gehirn. Ja, Fliegen
haben ein Gehirn
haben ein Gehirn
05:29
a brain of about 100,000 neurons.
109
313825
3159
mit etwa 100.000 Nervenzellen.
05:32
Now several people at this conference
110
316984
2193
Einige Konferenzteilnehmer
05:35
have already suggested that fruit flies could serve neuroscience
111
319177
4808
deuteten bereits an, dass Fruchtfliegen
der Neurowissenschaft dienen können,
der Neurowissenschaft dienen können,
05:39
because they're a simple model of brain function.
112
323985
3247
weil sie ein simples Modell
einer Gehirnfunktion besitzen.
einer Gehirnfunktion besitzen.
05:43
And the basic punchline of my talk is,
113
327232
2077
Das Verblüffende an meinem Vortrag ist aber,
05:45
I'd like to turn that over on its head.
114
329309
2658
dass ich das auf den Kopf stellen möchte.
05:47
I don't think they're a simple model of anything.
115
331967
2628
Ich halte sie überhaupt nicht
für ein simples Modell.
für ein simples Modell.
05:50
And I think that flies are a great model.
116
334595
2477
Fliegen sind ein großartiges Modell.
05:52
They're a great model for flies.
117
337072
2516
Ein großartiges Modell für Fliegen.
05:55
(Laughter)
118
339588
2481
(Lachen)
05:57
And let's explore this notion of simplicity.
119
342069
3003
Lassen Sie uns diese Vorstellung
der Einfachheit untersuchen.
der Einfachheit untersuchen.
06:00
So I think, unfortunately, a lot of neuroscientists,
120
345072
2431
Unglücklicherweise sind
viele der Neurobiologen
viele der Neurobiologen
06:03
we're all somewhat narcissistic.
121
347503
1832
irgendwie narzisstisch.
06:05
When we think of brain, we of course imagine our own brain.
122
349335
3433
Bei Gehirnen denken wir
natürlich an unser eigenes.
natürlich an unser eigenes.
06:08
But remember that this kind of brain,
123
352768
1960
Aber erinnert euch,
dass diese Art Gehirn
dass diese Art Gehirn
06:10
which is much, much smaller
124
354728
1768
viel, viel kleiner ist –
06:12
— instead of 100 billion neurons, it has 100,000 neurons —
125
356496
2678
statt 100 Milliarden Nervenzellen
hat es 100.000 –
hat es 100.000 –
06:15
but this is the most common form of brain on the planet
126
359174
2882
aber es ist die häufigste
Gehirnform auf der Erde,
Gehirnform auf der Erde,
06:17
and has been for 400 million years.
127
362056
2904
und dies seit 400 Millionen Jahren.
06:20
And is it fair to say that it's simple?
128
364960
2288
Und ist es dann fair zu behaupten,
dass es simpel ist?
dass es simpel ist?
06:23
Well, it's simple in the sense that it has fewer neurons,
129
367248
2095
Gut, es hat viel weniger Nervenzellen,
06:25
but is that a fair metric?
130
369343
1754
aber ist das ein faires Maß?
06:26
And I would propose it's not a fair metric.
131
371097
2276
Nein, würde ich sagen, ist es nicht.
06:29
So let's sort of think about this. I think we have to compare --
132
373373
3100
Überlegen wir mal.
Wir müssen vergleichen ...
Wir müssen vergleichen ...
06:32
(Laughter) —
133
376473
1559
(Lachen)
06:33
we have to compare the size of the brain
134
378032
5121
wir müssen die Größe
des Gehirns vergleichen
des Gehirns vergleichen
06:39
with what the brain can do.
135
383153
2030
mit dem, was das Gehirn kann.
06:41
So I propose we have a Trump number,
136
385183
2881
Ich schlage also eine Trump-Zahl vor,
06:43
and the Trump number is the ratio of this man's
137
388064
2865
also ist das Verhältnis
des Verhaltensrepertoires
des Verhaltensrepertoires
06:46
behavioral repertoire to the number of neurons in his brain.
138
390929
3679
dieses Mannes im Vergleich
zur Anzahl seiner Neuronen.
zur Anzahl seiner Neuronen.
06:50
We'll calculate the Trump number for the fruit fly.
139
394608
2668
Wir kalkulieren die Trump-Zahl
der Fruchtfliege.
der Fruchtfliege.
06:53
Now, how many people here think the Trump number
140
397276
2684
Wie viele Leute denken hier,
dass die Trump-Zahl
dass die Trump-Zahl
06:55
is higher for the fruit fly?
141
399960
2489
der Fruchtfliege größer ist?
06:58
(Applause)
142
402449
2431
(Applaus)
07:00
It's a very smart, smart audience.
143
404880
3428
Ein sehr, sehr schlaues Publikum.
07:04
Yes, the inequality goes in this direction, or I would posit it.
144
408308
3327
Ja, die Ungleichheit geht in diese Richtung.
07:07
Now I realize that it is a little bit absurd
145
411635
2382
Es ist natürlich ein bisschen absurd,
07:09
to compare the behavioral repertoire of a human to a fly.
146
414017
3558
das Verhaltensrepertoire eines Menschen
mit dem einer Fliege zu vergleichen.
mit dem einer Fliege zu vergleichen.
07:13
But let's take another animal just as an example. Here's a mouse.
147
417575
4143
Aber nehmen wir ein anderes Tier.
Eine Maus zum Beispiel.
Eine Maus zum Beispiel.
07:17
A mouse has about 1,000 times as many neurons as a fly.
148
421718
4305
Eine Maus hat tausendmal mehr
Nervenzellen als eine Fliege.
Nervenzellen als eine Fliege.
07:21
I used to study mice. When I studied mice,
149
426023
2027
Früher erforschte ich Mäuse. Damals
07:23
I used to talk really slowly.
150
428050
2837
sprach ich immer ganz langsam.
07:26
And then something happened when I started to work on flies.
151
430887
2576
Aber dann, als ich mit Fliegen arbeitete ...
07:29
(Laughter)
152
433463
2412
(Lachen)
07:31
And I think if you compare the natural history of flies and mice,
153
435875
3460
Und die Naturgeschichte von
Mäusen und Fliegen
Mäusen und Fliegen
07:35
it's really comparable. They have to forage for food.
154
439335
3313
ist wirklich vergleichbar.
Sie müssen Futter suchen.
Sie müssen Futter suchen.
07:38
They have to engage in courtship.
155
442648
2447
Sie müssen sich in der Balz einbringen.
07:40
They have sex. They hide from predators.
156
445095
3471
Sie haben Sex. Sie verstecken sich vor Räubern.
07:44
They do a lot of the similar things.
157
448566
1980
Sie machen viele ähnliche Sachen.
07:46
But I would argue that flies do more.
158
450546
1718
Aber ich würde behaupten,
Fliegen tun mehr.
Fliegen tun mehr.
07:48
So for example, I'm going to show you a sequence,
159
452264
3378
Beispielsweise zeige ich
Ihnen jetzt eine Sequenz
Ihnen jetzt eine Sequenz
07:51
and I have to say, some of my funding comes from the military,
160
455642
4205
und ich muss gestehen,
dass das Militär einiges finanziert,
dass das Militär einiges finanziert,
07:55
so I'm showing this classified sequence
161
459847
2072
Ich zeige also diese geheime Sequenz
07:57
and you cannot discuss it outside of this room. Okay?
162
461919
4093
und Sie dürfen außerhalb
dieses Saals nicht darüber reden, ok?
dieses Saals nicht darüber reden, ok?
08:01
So I want you to look at the payload
163
466012
1908
Achten Sie auf den Ballast
08:03
at the tail of the fruit fly.
164
467920
3026
am Hinterteil der Fruchtfliege.
08:06
Watch it very closely,
165
470946
2101
Beobachten Sie ihn genau,
08:08
and you'll see why my six-year-old son
166
473047
4297
und Sie werden wissen,
warum mein 6-jähriger Sohn
warum mein 6-jähriger Sohn
08:13
now wants to be a neuroscientist.
167
477344
4729
nun Neurowissenschaftler
werden möchte.
werden möchte.
08:17
Wait for it.
168
482073
1179
Gleich kommt's ...
08:19
Pshhew.
169
483252
1569
Pschiuuu!
08:20
So at least you'll admit that if fruit flies are not as clever as mice,
170
484821
3084
Vielleicht sind Fliegen
nicht so klug wie Mäuse,
nicht so klug wie Mäuse,
08:23
they're at least as clever as pigeons. (Laughter)
171
487905
4916
aber doch mindestens so
klug wie Tauben. (Lachen)
klug wie Tauben. (Lachen)
08:28
Now, I want to get across that it's not just a matter of numbers
172
492821
3967
Es geht hier also nicht nur
um reine Zahlen, sondern auch
um reine Zahlen, sondern auch
08:32
but also the challenge for a fly to compute
173
496788
2598
um die Herausforderung für die Fliege,
08:35
everything its brain has to compute with such tiny neurons.
174
499386
2849
wenn sie alles mit winzigen
Nervenzellen berechnen muss.
Nervenzellen berechnen muss.
08:38
So this is a beautiful image of a visual interneuron from a mouse
175
502235
2988
Dies ist ein schönes Bild der optischen
Interneurone einer Maus
Interneurone einer Maus
08:41
that came from Jeff Lichtman's lab,
176
505223
2768
vom Labor von Jeff Lichtman.
08:43
and you can see the wonderful images of brains
177
507991
3247
Sie können die wunderbaren
Bilder von Gehirnen sehen,
Bilder von Gehirnen sehen,
08:47
that he showed in his talk.
178
511238
3193
die er in seinem Vortrag zeigte.
08:50
But up in the corner, in the right corner, you'll see,
179
514431
2368
Aber in der rechten oberen Ecke sehen Sie
08:52
at the same scale, a visual interneuron from a fly.
180
516799
4112
im gleichen Maßstab
das optische Interneuron einer Fliege.
das optische Interneuron einer Fliege.
08:56
And I'll expand this up.
181
520911
1841
Und ich vergrößere dies.
08:58
And it's a beautifully complex neuron.
182
522752
2170
Eine wunderbar
komplexe Nervenzelle.
komplexe Nervenzelle.
09:00
It's just very, very tiny, and there's lots of biophysical challenges
183
524922
3485
Sie ist superklein und beim es gibt viele
biophysische Herausforderungen
biophysische Herausforderungen
09:04
with trying to compute information with tiny, tiny neurons.
184
528407
3623
beim Berechnen von Informationen
mit winzigen Neuronen.
mit winzigen Neuronen.
09:07
How small can neurons get? Well, look at this interesting insect.
185
532030
3537
Wie klein kann eine Nervenzelle sein?
Schauen Sie sich dieses Insekt an.
Schauen Sie sich dieses Insekt an.
09:11
It looks sort of like a fly. It has wings, it has eyes,
186
535567
2212
Sieht aus wie eine Fliege.
Es hat Flügel, Augen,
Es hat Flügel, Augen,
09:13
it has antennae, its legs, complicated life history,
187
537779
2799
Antennen, Beinchen,
eine komplizierte Lebensgeschichte.
eine komplizierte Lebensgeschichte.
09:16
it's a parasite, it has to fly around and find caterpillars
188
540578
3096
Dieser Parasit muss herumfliegen
und Raupen finden,
und Raupen finden,
09:19
to parasatize,
189
543674
1382
um sie zu parasitieren.
09:20
but not only is its brain the size of a salt grain,
190
545056
4115
Sein Gehirn ist nur so groß
wie ein Salzkorn,
wie ein Salzkorn,
09:25
which is comparable for a fruit fly,
191
549171
1969
was mit dem der Fruchtfliege
vergleichbar wäre.
vergleichbar wäre.
09:27
it is the size of a salt grain.
192
551140
2926
Er ist so groß wie ein Salzkorn.
09:29
So here's some other organisms at the similar scale.
193
554066
3635
Hier sehen Sie andere Organismen
im gleichen Maßstab.
im gleichen Maßstab.
09:33
This animal is the size of a paramecium and an amoeba,
194
557701
4130
Dieses Tierchen hat
die Größe einer Amöbe
die Größe einer Amöbe
09:37
and it has a brain of 7,000 neurons that's so small --
195
561831
3880
und ein Gehirn mit 7.000 Nervenzellen,
das so klein ist –
das so klein ist –
09:41
you know these things called cell bodies you've been hearing about,
196
565711
2456
Sie haben sicher schon mal
von den Zellkörpern gehört,
von den Zellkörpern gehört,
09:44
where the nucleus of the neuron is?
197
568167
1651
worin sich der Kern
der Nervenzelle befindet?
der Nervenzelle befindet?
09:45
This animal gets rid of them because they take up too much space.
198
569818
3460
Dieses Tier hat keine, weil
sie zu viel Platz verbrauchen.
sie zu viel Platz verbrauchen.
09:49
So this is a session on frontiers in neuroscience.
199
573278
2473
Hier sind also die Grenzen
der Neurowissenschaft.
der Neurowissenschaft.
09:51
I would posit that one frontier in neuroscience is to figure out how the brain of that thing works.
200
575751
5360
Die Neurowissenschaft sollte erforschen,
wie das Gehirn dieses Dings funktioniert.
wie das Gehirn dieses Dings funktioniert.
09:57
But let's think about this. How can you make a small number of neurons do a lot?
201
581111
5633
Denken wir mal nach. Wie veranlassen
wir wenige Nervenzellen, viel zu machen?
wir wenige Nervenzellen, viel zu machen?
10:02
And I think, from an engineering perspective,
202
586744
2522
Aus einer Ingenieursperspektive denkt man
10:05
you think of multiplexing.
203
589266
1729
vielleicht an Mehrfachnutzung.
10:06
You can take a hardware and have that hardware
204
590995
2703
Man kann die Hardware verschiedene Dinge
10:09
do different things at different times,
205
593698
1613
zu verschiedenen Zeiten tun lassen.
10:11
or have different parts of the hardware doing different things.
206
595311
2995
Oder eine Hardware führt
verschiedene Dinge aus.
verschiedene Dinge aus.
10:14
And these are the two concepts I'd like to explore.
207
598306
3271
Das sind die beiden Konzepte,
die ich erforschen möchte.
die ich erforschen möchte.
10:17
And they're not concepts that I've come up with,
208
601577
1658
Und sie sind mir nicht selbst eingefallen,
10:19
but concepts that have been proposed by others in the past.
209
603235
4545
sondern anderen vor mir.
10:23
And one idea comes from lessons from chewing crabs.
210
607780
3075
Eine Idee kommt vom Kauen der Krebse
10:26
And I don't mean chewing the crabs.
211
610855
1867
und ich meine nicht, dass wir Krebse kauen.
10:28
I grew up in Baltimore, and I chew crabs very, very well.
212
612722
3599
Ich bin aus Baltimore und
kann Krebse sehr gut zerkauen.
kann Krebse sehr gut zerkauen.
10:32
But I'm talking about the crabs actually doing the chewing.
213
616321
2857
Aber ich rede von Krebsen,
die selber kauen.
die selber kauen.
10:35
Crab chewing is actually really fascinating.
214
619178
2030
Das Kauen der Krebse ist faszinierend.
10:37
Crabs have this complicated structure under their carapace
215
621208
3259
Krebse haben diese komplizierte
Struktur unter ihrem Panzer,
Struktur unter ihrem Panzer,
10:40
called the gastric mill
216
624467
1310
die Magenmühle heißt
10:41
that grinds their food in a variety of different ways.
217
625777
2430
und ihre Nahrung auf
verschiedenste Art zermalmt.
verschiedenste Art zermalmt.
10:44
And here's an endoscopic movie of this structure.
218
628207
5259
Hier sehen Sie einen endoskopischen
Film dieser Struktur.
Film dieser Struktur.
10:49
The amazing thing about this is that it's controlled
219
633466
2560
Am erstaunlichsten daran ist, dass sie
10:51
by a really tiny set of neurons, about two dozen neurons
220
636026
3432
von einem minimalen Neuronensatz,
etwa zwei Dutzend, kontrolliert werden,
etwa zwei Dutzend, kontrolliert werden,
10:55
that can produce a vast variety of different motor patterns,
221
639458
4963
die eine ganze Reihe verschiedener
Bewegungsmuster produzieren,
Bewegungsmuster produzieren,
11:00
and the reason it can do this is that this little tiny ganglion
222
644421
4347
und der Grund dafür ist
dieser kleine Nervenknoten,
dieser kleine Nervenknoten,
11:04
in the crab is actually inundated by many, many neuromodulators.
223
648768
4184
der von vielen Neuromodulatoren
quasi überschwemmt wird.
quasi überschwemmt wird.
11:08
You heard about neuromodulators earlier.
224
652952
2141
Sie haben schon vorher
von Neuromodulatoren gehört.
von Neuromodulatoren gehört.
11:10
There are more neuromodulators
225
655093
2225
Es gibt mehr Neuromodulatoren,
11:13
that alter, that innervate this structure than actually neurons in the structure,
226
657318
5485
die diese Struktur verändern,
als es in ihr Nervenzellen gibt.
als es in ihr Nervenzellen gibt.
11:18
and they're able to generate a complicated set of patterns.
227
662803
4242
Und sie können eine Anzahl
komplizierter Muster generieren.
komplizierter Muster generieren.
11:22
And this is the work by Eve Marder and her many colleagues
228
667045
3441
Das ist die Arbeit von Eve Marder
und ihrer vielen Kollegen,
und ihrer vielen Kollegen,
11:26
who've been studying this fascinating system
229
670486
2295
die dieses faszinierende
System erforscht haben.
System erforscht haben.
11:28
that show how a smaller cluster of neurons
230
672781
2152
Es zeigt, wie eine kleine Neuronengruppe
11:30
can do many, many, many things
231
674933
1825
so viele Sachen machen kann,
11:32
because of neuromodulation that can take place on a moment-by-moment basis.
232
676758
4856
wegen der Neuromodulation, die zu
jedem Zeitpunkt stattfinden kann.
jedem Zeitpunkt stattfinden kann.
11:37
So this is basically multiplexing in time.
233
681614
2439
Grundsätzlich ist das eine
zeitliche Mehrfachnutzung.
zeitliche Mehrfachnutzung.
11:39
Imagine a network of neurons with one neuromodulator.
234
684053
2785
Nehmen wir ein Neuronennetzwerk
mit einem Modulator.
mit einem Modulator.
11:42
You select one set of cells to perform one sort of behavior,
235
686838
3478
Sie selektieren einen Zellsatz, um
irgendein Verhalten auszulösen,
irgendein Verhalten auszulösen,
11:46
another neuromodulator, another set of cells,
236
690316
2618
ein anderer Neuronenregler
hat einen anderen Zellsatz
hat einen anderen Zellsatz
11:48
a different pattern, and you can imagine
237
692934
1713
und Muster und Sie können sich denken,
11:50
you could extrapolate to a very, very complicated system.
238
694647
3878
dass dies in einem äußerst
komplizierten System funktioniert.
komplizierten System funktioniert.
11:54
Is there any evidence that flies do this?
239
698525
2094
Gibt es irgendwelche Anhaltspunkte,
dass Fliegen so etwas tun?
dass Fliegen so etwas tun?
11:56
Well, for many years in my laboratory and other laboratories around the world,
240
700619
3375
Lange Zeit wurde in meinem Labor
und vielen anderen weltweit
und vielen anderen weltweit
11:59
we've been studying fly behaviors in little flight simulators.
241
703994
2648
das Verhalten der Fliegen in
kleinen Flugsimulatoren erforscht.
kleinen Flugsimulatoren erforscht.
12:02
You can tether a fly to a little stick.
242
706642
1706
Man bindet eine Fliege an ein Stöckchen
12:04
You can measure the aerodynamic forces it's creating.
243
708348
2501
und misst die aerodynamischen Kräfte.
12:06
You can let the fly play a little video game
244
710849
2546
Sie können die Fliege
ein Videospiel spielen lassen,
ein Videospiel spielen lassen,
12:09
by letting it fly around in a visual display.
245
713395
3878
indem Sie sie in einer visuellen
Anzeige herumfliegen lassen.
Anzeige herumfliegen lassen.
12:13
So let me show you a little tiny sequence of this.
246
717273
2337
Hier sehen Sie eine kleine Sequenz.
12:15
Here's a fly
247
719610
1227
Hier ist eine Fliege
12:16
and a large infrared view of the fly in the flight simulator,
248
720837
3437
und eine große Infrarotansicht
der Fliege im Flugsimulator
der Fliege im Flugsimulator
12:20
and this is a game the flies love to play.
249
724274
1955
und dieses Spiel hier findet die Fliege toll.
12:22
You allow them to steer towards the little stripe,
250
726229
2437
Sie lassen sie in die Richtung
der kleinen Streifen bewegen
der kleinen Streifen bewegen
12:24
and they'll just steer towards that stripe forever.
251
728666
2825
und sie wird es für immer tun.
12:27
It's part of their visual guidance system.
252
731491
3558
Es ist Teil ihres visuellen
Orientierungssystems.
Orientierungssystems.
12:30
But very, very recently, it's been possible
253
735049
2345
Aber seit kurzem ist es möglich,
12:33
to modify these sorts of behavioral arenas for physiologies.
254
737394
4940
diese Verhaltensspielräume
für die Physiologie zu modifizieren.
für die Physiologie zu modifizieren.
12:38
So this is the preparation that one of my former post-docs,
255
742334
2488
Diese Versuchsanordung hat eine
meiner Postdoktoranden,
meiner Postdoktoranden,
12:40
Gaby Maimon, who's now at Rockefeller, developed,
256
744822
2443
Gaby Maimon, jetzt an der
Rockefeller University, entwickelt.
Rockefeller University, entwickelt.
12:43
and it's basically a flight simulator
257
747265
1686
Es ist eigentlich ein Flugsimulator,
12:44
but under conditions where you actually can stick an electrode
258
748951
3075
bei dem man eine Elektrode im Gehirn
12:47
in the brain of the fly and record
259
752026
2264
der Fliege anbringen kann
und dann eine Aufzeichnung
und dann eine Aufzeichnung
12:50
from a genetically identified neuron in the fly's brain.
260
754290
3656
einer genetisch identifizierten
Nervenzelle machen kann
Nervenzelle machen kann
12:53
And this is what one of these experiments looks like.
261
757946
2298
Und so sieht ein solches Experiment aus:
12:56
It was a sequence taken from another post-doc in the lab,
262
760244
2971
Diese Sequenz ist von einer
anderen Postdoktorandin,
anderen Postdoktorandin,
12:59
Bettina Schnell.
263
763215
1199
Bettina Schnell.
13:00
The green trace at the bottom is the membrane potential
264
764414
3392
Die grüne Spur unten ist das Membranpotential
13:03
of a neuron in the fly's brain,
265
767806
2030
einer Nervenzelle im Gehirn einer Fliege.
13:05
and you'll see the fly start to fly, and the fly is actually
266
769836
2942
Die Fliege beginnt zu fliegen und man sieht sie
13:08
controlling the rotation of that visual pattern itself
267
772778
3279
die Rotation des visuellen Musters mittels ihrer
13:11
by its own wing motion,
268
776057
1479
Flügelbewegung kontrollieren.
13:13
and you can see this visual interneuron
269
777536
2110
Dieses visuelle Interneuron
13:15
respond to the pattern of wing motion as the fly flies.
270
779646
3908
reagiert auf die Flügelbewegung der Fliege.
13:19
So for the first time we've actually been able to record
271
783554
2376
Wir konnten also
zum ersten Mal Nervenzellen
zum ersten Mal Nervenzellen
13:21
from neurons in the fly's brain while the fly
272
785930
2908
im Gehirn der Fliege aufzeichnen –
13:24
is performing sophisticated behaviors such as flight.
273
788838
4468
während sie ein anspruchsvolles
Verhalten zeigt wie das Fliegen.
Verhalten zeigt wie das Fliegen.
13:29
And one of the lessons we've been learning
274
793306
1855
Und wir haben gelernt,
13:31
is that the physiology of cells that we've been studying
275
795161
2420
dass die Physiologie der Zellen,
die wir jahrelang
die wir jahrelang
13:33
for many years in quiescent flies
276
797581
2421
bei ruhenden Fliegen erforschten,
13:35
is not the same as the physiology of those cells
277
800002
2648
nicht dieselbe wie bei den Zellen ist,
13:38
when the flies actually engage in active behaviors
278
802650
2736
wenn die Fliegen sich aktiv verhalten,
13:41
like flying and walking and so forth.
279
805386
2539
also fliegen oder laufen usw.
13:43
And why is the physiology different?
280
807925
2925
Und warum ist diese Physiologie anders?
13:46
Well it turns out it's these neuromodulators,
281
810850
2057
Wegen der Neuromodulatoren,
13:48
just like the neuromodulators in that little tiny ganglion in the crabs.
282
812907
3951
wie diese in den kleinen
Nervenknoten der Krebse.
Nervenknoten der Krebse.
13:52
So here's a picture of the octopamine system.
283
816858
2550
Hier sehen Sie das Octopamin-System.
13:55
Octopamine is a neuromodulator
284
819408
1754
Octopamin ist ein Neuromodulator,
13:57
that seems to play an important role in flight and other behaviors.
285
821162
4336
der beim Flug und anderem Verhalten
sehr wichtig zu sein scheint.
sehr wichtig zu sein scheint.
14:01
But this is just one of many neuromodulators
286
825498
2472
Aber dies ist nur einer von vielen
14:03
that's in the fly's brain.
287
827970
1071
im Gehirn der Fliege.
14:04
So I really think that, as we learn more,
288
829041
2666
Je mehr wir also von ihnen lernen,
14:07
it's going to turn out that the whole fly brain
289
831707
2527
desto mehr wird sich herausstellen,
dass ihr Gehirn
dass ihr Gehirn
14:10
is just like a large version of this stomatogastric ganglion,
290
834234
3089
nur eine große Version dieses
Magennervenknotens ist.
Magennervenknotens ist.
14:13
and that's one of the reasons why it can do so much with so few neurons.
291
837323
4360
Und das erklärt mit, warum es so viel
mit so wenig Nervenzellen anstellen kann.
mit so wenig Nervenzellen anstellen kann.
14:17
Now, another idea, another way of multiplexing
292
841683
2787
Eine andere Art von Mehrfachnutzung wäre
14:20
is multiplexing in space,
293
844470
1656
die räumliche Mehrfachnutzung:
14:22
having different parts of a neuron
294
846126
1694
verschiedene Teile der Nervenzelle
14:23
do different things at the same time.
295
847820
2122
machen verschiedene Sachen gleichzeitig.
14:25
So here's two sort of canonical neurons
296
849942
1833
Hier sind zwei Arten von
gewöhnlichen Nervenzellen
gewöhnlichen Nervenzellen
14:27
from a vertebrate and an invertebrate,
297
851775
2285
von Wirbeltieren und Wirbellosen,
14:29
a human pyramidal neuron from Ramon y Cajal,
298
854060
3250
eine menschliche pyramidenförmige
Nervenzelle von Ramón y Cajal
Nervenzelle von Ramón y Cajal
14:33
and another cell to the right, a non-spiking interneuron,
299
857310
4003
und rechts davon eine
nicht spikende Interneurone,
nicht spikende Interneurone,
14:37
and this is the work of Alan Watson and Malcolm Burrows many years ago,
300
861313
4147
das Werk von Alan Watson
und Malcolm Burrows.
und Malcolm Burrows.
14:41
and Malcolm Burrows came up with a pretty interesting idea
301
865460
3075
Malcolm Burrows kam auf die interessante Idee,
14:44
based on the fact that this neuron from a locust
302
868535
2882
die darauf basiert, dass
die Nervenzelle einer Heuschrecke
die Nervenzelle einer Heuschrecke
14:47
does not fire action potentials.
303
871417
1959
keine Aktionspotentiale abfeuert.
14:49
It's a non-spiking cell.
304
873376
1748
Eine nicht spikende Zelle.
14:51
So a typical cell, like the neurons in our brain,
305
875124
2780
Eine typische Zelle wie die in unserem Gehirn
14:53
has a region called the dendrites that receives input,
306
877904
2752
hat eine Region, die Dendriten,
die den Input erhalten,
die den Input erhalten,
14:56
and that input sums together
307
880656
2589
und dieser Input summiert sich
14:59
and will produce action potentials
308
883245
2296
und wird Aktionspotentiale auslösen,
15:01
that run down the axon and then activate
309
885541
2331
die dann unterhalb des Axons verlaufen und
15:03
all the output regions of the neuron.
310
887872
2296
all die Output-Areale der Nervenzelle aktivieren.
15:06
But non-spiking neurons are actually quite complicated
311
890168
2876
Aber nicht spikende Neuronen
sind gerade sehr kompliziert,
sind gerade sehr kompliziert,
15:08
because they can have input synapses and output synapses
312
893044
3112
denn sie können sowohl Input-
als auch Output-Synapsen haben,
als auch Output-Synapsen haben,
15:12
all interdigitated, and there's no single action potential
313
896156
3663
alle miteinander verzahnt
und ohne alleiniges Aktionspotential,
und ohne alleiniges Aktionspotential,
15:15
that drives all the outputs at the same time.
314
899819
3126
das alle Outputs zur selben Zeit auslöst.
15:18
So there's a possibility that you have computational compartments
315
902945
3907
Vielleicht gibt es also Rechenabteilungen,
15:22
that allow the different parts of the neuron
316
906852
3978
die den verschiedenen Teilen
einer Nervenzelle erlauben,
einer Nervenzelle erlauben,
15:26
to do different things at the same time.
317
910830
2560
verschiedene Dinge gleichzeitig zu tun.
15:29
So these basic concepts of multitasking in time
318
913390
4671
Dies sind also Grundkonzepte
der Mehrfachnutzung
der Mehrfachnutzung
15:33
and multitasking in space,
319
918061
2361
sowohl zeitlich als auch räumlich.
15:36
I think these are things that are true in our brains as well,
320
920422
2832
Ich denke, diese Dinge treffen
ebenso für unser Gehirn zu,
ebenso für unser Gehirn zu,
15:39
but I think the insects are the true masters of this.
321
923254
2577
aber die Insekten sind
darin die wahren Meister.
darin die wahren Meister.
15:41
So I hope you think of insects a little bit differently next time,
322
925831
3116
Ich hoffe also, dass Sie das nächste Mal
anders über Insekten denken
anders über Insekten denken
15:44
and as I say up here, please think before you swat.
323
928947
2935
und bitte denken Sie nach,
bevor Sie sie zerquetschen.
bevor Sie sie zerquetschen.
15:47
(Applause)
324
931882
2953
(Applaus)
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