ABOUT THE SPEAKER
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.

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.

More profile about the speaker
Gero Miesenboeck | Speaker | TED.com
TEDGlobal 2010

Gero Miesenboeck: Re-engineering the brain

Gero Miesenboeck改造大脑

Filmed:
717,411 views

在探索测绘大脑的过程中,很多科学家都尝试过记录每个神经元的活动这项异常艰巨的任务。Gero Miesenboeck 反其道而行之, 他控制一些特定的神经元来搞清楚它们到底是起什么作用的,他通过一系列令人震惊的试验改变了果蝇对光的感知。
- 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

Double-click the English transcript below to play the video.

00:15
I have a doppelganger分身.
0
0
3000
我有个翻版。
00:18
(Laughter笑声)
1
3000
3000
(笑声)
00:21
Dr博士. Gero格罗 is a brilliant辉煌
2
6000
3000
Gero 博士是动画片<<七龙珠Z-机器人传奇>>
00:24
but slightly mad scientist科学家
3
9000
2000
里一个非常聪明但有点疯疯颠颠
00:26
in the "Dragonball七龙珠 Z: AndroidAndroid的 Saga冒险故事."
4
11000
3000
的科学家。
00:29
If you look very carefully小心,
5
14000
2000
如果你仔细观察,
00:31
you see that his skull头骨 has been replaced更换
6
16000
3000
你会发现他的脑壳被换成了一个
00:34
with a transparent透明 Plexiglas有机玻璃 dome拱顶
7
19000
2000
透明的有机玻璃圆顶盖子,
00:36
so that the workings运作 of his brain can be observed观察到的
8
21000
3000
你可以透过盖子观察他的大脑活动
00:39
and also controlled受控 with light.
9
24000
3000
而且可以用光线去控制它。
00:42
That's exactly究竟 what I do --
10
27000
2000
这就是我的工作——
00:44
optical光纤 mind心神 control控制.
11
29000
2000
光学精神控制。
00:46
(Laughter笑声)
12
31000
2000
(笑声)
00:48
But in contrast对比 to my evil邪恶 twin双胞胎
13
33000
2000
但是我跟我那邪恶的孪生兄弟不同,
00:50
who lusts情欲 after world世界 domination统治,
14
35000
3000
他企图控制全世界,
00:53
my motives动机 are not sinister险恶.
15
38000
3000
而我没有险恶的动机。
00:56
I control控制 the brain
16
41000
2000
我控制大脑的原因是
00:58
in order订购 to understand理解 how it works作品.
17
43000
2000
想了解它是怎样运作的。
01:00
Now wait a minute分钟, you may可能 say,
18
45000
2000
你也许会说,等一下,
01:02
how can you go straight直行 to controlling控制 the brain
19
47000
3000
你不了解大脑
01:05
without understanding理解 it first?
20
50000
2000
怎么能控制大脑呢?
01:07
Isn't that putting the cart大车 before the horse?
21
52000
3000
那不是本末倒置吗?
01:11
Many许多 neuroscientists神经学家 agree同意 with this view视图
22
56000
3000
很多神经学科学家都同意这个观点
01:14
and think that understanding理解 will come
23
59000
3000
认为对大脑的了解需要通过
01:17
from more detailed详细 observation意见 and analysis分析.
24
62000
3000
很多详细的观察和分析来完成。
01:20
They say, "If we could record记录 the activity活动 of our neurons神经元,
25
65000
4000
他们说:“如果我们可以记录我们的神经元的活动
01:24
we would understand理解 the brain."
26
69000
3000
我们就能了解大脑了。”
01:27
But think for a moment时刻 what that means手段.
27
72000
3000
但是想一想这意味着什么。
01:30
Even if we could measure测量
28
75000
2000
即便我们可以侧量
01:32
what every一切 cell细胞 is doing at all times,
29
77000
2000
每个细胞每时每刻的运作,
01:34
we would still have to make sense
30
79000
2000
我们还是需要弄明白
01:36
of the recorded记录 activity活动 patterns模式,
31
81000
2000
记录下来的那些活动到底有什么规律,
01:38
and that's so difficult,
32
83000
2000
而这是很困难的。
01:40
chances机会 are we'll understand理解 these patterns模式
33
85000
2000
结果很可能是我们只能了解这些规律的一小部分
01:42
just as little as the brains大脑 that produce生产 them.
34
87000
3000
因为我们对产生它们的大脑知之甚少。
01:45
Take a look at what brain activity活动 might威力 look like.
35
90000
3000
请看这个大脑活动模拟图。
01:48
In this simulation模拟, each black黑色 dot
36
93000
2000
在这个模拟中,每个黑点
01:50
is one nerve神经 cell细胞.
37
95000
2000
代表一个神经细胞。
01:52
The dot is visible可见
38
97000
2000
每当细胞放射一条
01:54
whenever每当 a cell细胞 fires火灾 an electrical电动 impulse冲动.
39
99000
2000
电脉冲时, 对应的点就会显示出来。
01:56
There's 10,000 neurons神经元 here.
40
101000
2000
这里有一万个神经细胞。
01:58
So you're looking at roughly大致 one percent百分
41
103000
2000
所以你现在看到的相当于
02:00
of the brain of a cockroach蟑螂.
42
105000
3000
一只蟑螂大脑的百分之一。
02:04
Your brains大脑 are about 100 million百万 times
43
109000
3000
你们的大脑比这复杂
02:07
more complicated复杂.
44
112000
2000
一亿倍。
02:09
Somewhere某处, in a pattern模式 like this,
45
114000
2000
在这个图案中, 有一部分
02:11
is you,
46
116000
2000
代表你,
02:13
your perceptions看法,
47
118000
2000
代表你的感知,
02:15
your emotions情绪, your memories回忆,
48
120000
3000
你的情绪, 记忆,
02:18
your plans计划 for the future未来.
49
123000
2000
你对将来的计划。
02:20
But we don't know where,
50
125000
2000
但是我们不知道到底哪块地方代表了这些,
02:22
since以来 we don't know how to read the pattern模式.
51
127000
3000
因为我们不懂如何解读这些图案。
02:25
We don't understand理解 the code used by the brain.
52
130000
3000
我们不了解大脑所用的密码。
02:28
To make progress进展,
53
133000
2000
要有进展,
02:30
we need to break打破 the code.
54
135000
2000
我们需要破解这个密码。
02:32
But how?
55
137000
2000
但怎样解码呢?
02:35
An experienced有经验的 code-breaker代码断路器 will tell you
56
140000
2000
一个富有经验的密码破译员会告诉你
02:37
that in order订购 to figure数字 out what the symbols符号 in a code mean,
57
142000
3000
要解开密码中各个符号的真正意义,
02:40
it's essential必要 to be able能够 to play with them,
58
145000
3000
我们必须能够使用它们,
02:43
to rearrange改编 them at will.
59
148000
2000
以我们的意愿重新组合它们。
02:45
So in this situation情况 too,
60
150000
2000
在这个情况下也是如此,
02:47
to decode解码 the information信息
61
152000
2000
要取得蕴含在这样的图案中
02:49
contained in patterns模式 like this,
62
154000
2000
的信息,
02:51
watching观看 alone单独 won't惯于 do.
63
156000
2000
关靠观察是不行的;
02:53
We need to rearrange改编 the pattern模式.
64
158000
2000
我们需要重新组合这些图案。
02:55
In other words,
65
160000
2000
也就是说,
02:57
instead代替 of recording记录 the activity活动 of neurons神经元,
66
162000
2000
仅仅记录神经细胞的活动并不可取,
02:59
we need to control控制 it.
67
164000
2000
我们需要控制它们。
03:01
It's not essential必要 that we can control控制
68
166000
2000
我们不用控制
03:03
the activity活动 of all neurons神经元 in the brain, just some.
69
168000
3000
脑部中所有神经细胞的活动,一些就足够。
03:06
The more targeted针对 our interventions干预措施, the better.
70
171000
2000
我们对那些神经细胞活动的干预愈具定向性,效果愈佳。
03:08
And I'll show显示 you in a moment时刻
71
173000
2000
我稍后会给你们展示
03:10
how we can achieve实现 the necessary必要 precision精确.
72
175000
3000
我们是怎样达到所需的精确度的。
03:13
And since以来 I'm realistic实际, rather than grandiose雄伟,
73
178000
3000
因为我个人比较现实而不浮夸,
03:16
I don't claim要求 that the ability能力 to control控制 the function功能 of the nervous紧张 system系统
74
181000
3000
我不会宣称只要具备能够操控神经系统功能的能力
03:19
will at once一旦 unravel all its mysteries奥秘.
75
184000
3000
就会一次揭开所有关于神经细胞的奥秘。
03:22
But we'll certainly当然 learn学习 a lot.
76
187000
3000
但是我们一定会从中学到很多。
03:27
Now, I'm by no means手段
77
192000
2000
现在,我决不是历史上
03:29
the first person to realize实现
78
194000
2000
第一个意识到工具的发明是
03:31
how powerful强大 a tool工具 intervention介入 is.
79
196000
3000
多么重要的人。
03:34
The history历史 of attempts尝试
80
199000
2000
试图
03:36
to tinker修补匠 with the function功能 of the nervous紧张 system系统
81
201000
2000
去改变神经系统机能的历史
03:38
is long and illustrious杰出.
82
203000
2000
长久卓越。
03:40
It dates日期 back at least最小 200 years年份,
83
205000
3000
这可以追溯到至少二百年前,
03:43
to Galvani's伽伐尼的 famous著名 experiments实验
84
208000
2000
十八世纪初
03:45
in the late晚了 18th century世纪 and beyond.
85
210000
3000
伽伐尼的著名实验。
03:49
Galvani伽伐尼 showed显示 that a frog's青蛙 legs twitched抽动
86
214000
3000
伽伐尼证明,只要他把青蛙的腰椎神经
03:52
when he connected连接的 the lumbar nerve神经
87
217000
2000
接上电流
03:54
to a source资源 of electrical电动 current当前.
88
219000
3000
青蛙的脚就会抽搐。
03:57
This experiment实验 revealed透露 the first, and perhaps也许 most fundamental基本的,
89
222000
3000
这个实验揭示了第一个,也是最根本的一个,
04:00
nugget金块 of the neural神经 code:
90
225000
2000
关于神经编码的事实:
04:02
that information信息 is written书面 in the form形成
91
227000
2000
这些信息是以
04:04
of electrical电动 impulses冲动.
92
229000
3000
电子脉冲的形式编写的。
04:08
Galvani's伽伐尼的 approach途径
93
233000
2000
伽伐尼的
04:10
of probing探测 the nervous紧张 system系统 with electrodes电极
94
235000
2000
以电极探究神经系统的方法
04:12
has remained保持 state-of-the-art最先进的 until直到 today今天,
95
237000
3000
即使在今天,仍然是最先进的,
04:15
despite尽管 a number of drawbacks缺点.
96
240000
3000
虽然它有一些很明显的缺陷。
04:18
Sticking坚持 wires电线 into the brain is obviously明显 rather crude原油.
97
243000
3000
将电线接到脑部显然是相当残忍的。
04:21
It's hard to do in animals动物 that run around,
98
246000
2000
这样的设计也难于在移动的动物身上实践。
04:23
and there is a physical物理 limit限制
99
248000
2000
当中亦有物理上的限制
04:25
to the number of wires电线
100
250000
2000
只有有限数量的电线
04:27
that can be inserted插入 simultaneously同时.
101
252000
3000
能够同时安插在脑部。
04:30
So around the turn of the last century世纪,
102
255000
2000
因此,在上世纪末,
04:32
I started开始 to think,
103
257000
2000
我开始思考,
04:34
"Wouldn't岂不 it be wonderful精彩 if one could take this logic逻辑
104
259000
3000
如果我可以把这个逻辑
04:37
and turn it upside上边 down?"
105
262000
2000
翻个个儿,那该多好啊。
04:39
So instead代替 of inserting插入 a wire线
106
264000
2000
不把电线
04:41
into one spot of the brain,
107
266000
3000
接到大脑的某一点,
04:44
re-engineer重新设计 the brain itself本身
108
269000
2000
而是改造大脑本身
04:46
so that some of its neural神经 elements分子
109
271000
3000
使得某些神经系统的组件
04:49
become成为 responsive响应 to diffusely广泛地 broadcast广播 signals信号
110
274000
3000
可以感应到漫射讯号,
04:52
such这样 as a flash of light.
111
277000
3000
比如说一道闪光。
04:55
Such这样 an approach途径 would literally按照字面, in a flash of light,
112
280000
3000
这样的方式能够,在电光一闪之间,
04:58
overcome克服 many许多 of the obstacles障碍 to discovery发现.
113
283000
3000
跨越很多科学发现的障碍。
05:01
First, it's clearly明确地 a non-invasive无创,
114
286000
3000
首先,这显然是个无创伤性的,
05:04
wireless无线 form形成 of communication通讯.
115
289000
3000
无线的交流形式。
05:07
And second第二, just as in a radio无线电 broadcast广播,
116
292000
2000
其次,就像无线电广播一样,
05:09
you can communicate通信 with many许多 receivers接收器 at once一旦.
117
294000
3000
你可以跟很多讯号接收器同时沟通。
05:12
You don't need to know where these receivers接收器 are,
118
297000
3000
你并不需要知道那些接收器所在的地点。
05:15
and it doesn't matter if these receivers接收器 move移动 --
119
300000
2000
再者,讯号接收器移动也没关系——
05:17
just think of the stereo立体声 in your car汽车.
120
302000
3000
就好象你车里的收音机。
05:20
It gets得到 even better,
121
305000
3000
我们的情况更加理想,
05:23
for it turns out that we can fabricate制造 the receivers接收器
122
308000
3000
因为我们可以用DNA中所编码的材料
05:26
out of materials物料 that are encoded编码 in DNA脱氧核糖核酸.
123
311000
3000
来制造这些接收器。
05:29
So each nerve神经 cell细胞
124
314000
2000
每个具有合适的基因构造
05:31
with the right genetic遗传 makeup化妆
125
316000
2000
的神经细胞
05:33
will spontaneously自发 produce生产 a receiver接收器
126
318000
3000
都会自然产生出接收器
05:36
that allows允许 us to control控制 its function功能.
127
321000
3000
让我们能控制它的功能。
05:39
I hope希望 you'll你会 appreciate欣赏
128
324000
2000
我希望你们能够欣赏
05:41
the beautiful美丽 simplicity简单
129
326000
2000
这个概念中
05:43
of this concept概念.
130
328000
2000
美丽的简单朴素。
05:45
There's no high-tech高科技 gizmos小玩意 here,
131
330000
2000
这里面没有安置高科技的小玩意儿
05:47
just biology生物学 revealed透露 through通过 biology生物学.
132
332000
3000
只有用生物学揭示出的生物学。
05:51
Now let's take a look at these miraculous神奇 receivers接收器 up close.
133
336000
3000
现在,让我们来近距离看一下这些不可思异的接收器。
05:54
As we zoom放大 in on one of these purple紫色 neurons神经元,
134
339000
3000
当我们把镜头拉近到一个紫色的神经细胞,
05:57
we see that its outer membrane
135
342000
2000
我们可以看到它的细胞外膜
05:59
is studded云集 with microscopic显微 pores毛孔.
136
344000
2000
布满着微细的气孔。
06:01
Pores毛孔 like these conduct进行 electrical电动 current当前
137
346000
2000
这些气孔能够让电流通过
06:03
and are responsible主管
138
348000
2000
以及负责
06:05
for all the communication通讯 in the nervous紧张 system系统.
139
350000
2000
为神经系统传递信息。
06:07
But these pores毛孔 here are special特别.
140
352000
2000
但是你看到的是一些特别的气孔。
06:09
They are coupled耦合 to light receptors受体
141
354000
2000
它们结合了光感应受体
06:11
similar类似 to the ones那些 in your eyes眼睛.
142
356000
3000
这些光感应受体跟你眼睛里的很相似。
06:14
Whenever每当 a flash of light hits点击 the receptor接收器,
143
359000
2000
只要一束闪光射在这些光感应受体上,
06:16
the pore opens打开, an electrical电动 current当前 is switched交换的 on,
144
361000
3000
那些气孔便会打开,电流亦会随之而接通,
06:19
and the neuron神经元 fires火灾 electrical电动 impulses冲动.
145
364000
3000
那神经细胞便会发出电子脉冲。
06:22
Because the light-activated光活化 pore is encoded编码 in DNA脱氧核糖核酸,
146
367000
3000
因为那些光驱动气孔是编写在DNA里的,
06:25
we can achieve实现 incredible难以置信 precision精确.
147
370000
3000
我们可以达到无比的精确性。
06:28
This is because,
148
373000
2000
这是因为
06:30
although虽然 each cell细胞 in our bodies身体
149
375000
2000
尽管我们身体里的每一个细胞
06:32
contains包含 the same相同 set of genes基因,
150
377000
2000
都有同一组基因,
06:34
different不同 mixes混合 of genes基因 get turned转身 on and off
151
379000
2000
但是在不同的细胞里
06:36
in different不同 cells细胞.
152
381000
2000
不同组合的基因会被开启或关闭。
06:38
You can exploit利用 this to make sure
153
383000
2000
你可以利用这个原理来确保
06:40
that only some neurons神经元
154
385000
2000
只有部分的神经细胞
06:42
contain包含 our light-activated光活化 pore and others其他 don't.
155
387000
3000
具有我们设计的光驱动气孔,而其他的没有。
06:45
So in this cartoon动画片, the bluish偏蓝 white白色 cell细胞
156
390000
2000
在这个动画中,蓝白色的细胞
06:47
in the upper-left左上 corner
157
392000
2000
在左上角的那些
06:49
does not respond响应 to light
158
394000
2000
并不会对光有反应
06:51
because it lacks缺乏 the light-activated光活化 pore.
159
396000
3000
因为它们缺少了光驱动气孔。
06:54
The approach途径 works作品 so well
160
399000
2000
这个方法很管用
06:56
that we can write purely纯粹 artificial人造 messages消息
161
401000
2000
我们可以把完全人工的讯息
06:58
directly to the brain.
162
403000
2000
直接编写入大脑。
07:00
In this example, each electrical电动 impulse冲动,
163
405000
2000
在这个例子中,每一个电子脉冲,
07:02
each deflection偏转 on the trace跟踪,
164
407000
3000
轨迹的每一次偏斜,
07:05
is caused造成 by a brief简要 pulse脉冲 of light.
165
410000
3000
都是由一束短暂的光脉冲造成的。
07:08
And the approach途径, of course课程, also works作品
166
413000
2000
同时,这个方法亦适用
07:10
in moving移动, behaving行为 animals动物.
167
415000
3000
于移动中,表现良好的动物身上。
07:13
This is the first ever such这样 experiment实验,
168
418000
2000
这是同类实验中的第一个,
07:15
sort分类 of the optical光纤 equivalent当量 of Galvani's伽伐尼的.
169
420000
3000
可以说是光学版本的伽伐尼实验。
07:18
It was doneDONE six or seven years年份 ago
170
423000
2000
这是在六七年前
07:20
by my then graduate毕业 student学生, Susana苏珊娜 Lima利马.
171
425000
3000
由我的研究生苏珊娜.利马完成的。
07:23
Susana苏珊娜 had engineered工程 the fruit水果 fly on the left
172
428000
3000
苏珊娜改变了左边那只果蝇的基因
07:26
so that just two out of the 200,000 cells细胞 in its brain
173
431000
4000
使它大脑中二十万神经细胞中的两个
07:30
expressed表达 the light-activated光活化 pore.
174
435000
3000
出现光驱动气孔。
07:33
You're familiar with these cells细胞
175
438000
2000
你应该相当熟悉这些神经细胞
07:35
because they are the ones那些 that frustrate阻挠 you
176
440000
2000
因为它们就是那些在你尝试拍打果蝇的时候
07:37
when you try to swat扑打 the fly.
177
442000
2000
让你倍感沮丧的神经细胞。
07:39
They trained熟练 the escape逃逸 reflex反射 that makes品牌 the fly jump into the air空气
178
444000
3000
它们造就了果蝇的逃跑反射,使果蝇
07:42
and fly away whenever每当 you move移动 your hand in position位置.
179
447000
3000
在你的手要靠近的时候飞到空中逃走。
07:46
And you can see here that the flash of light has exactly究竟 the same相同 effect影响.
180
451000
3000
你可以看到,一阵闪光跟拍打的动作有着同样的效果。
07:49
The animal动物 jumps跳跃, it spreads利差 its wings翅膀, it vibrates振动 them,
181
454000
3000
果蝇跳起,伸展翅膀,震动它们,
07:52
but it can't actually其实 take off
182
457000
2000
但它们不能真的飞离地面,
07:54
because the fly is sandwiched between之间 two glass玻璃 plates.
183
459000
3000
因为这只果蝇被夹在两片玻璃板中间。
07:58
Now to make sure that this was no reaction反应 of the fly
184
463000
2000
要保证果蝇如此反应
08:00
to a flash it could see,
185
465000
3000
并非因为它看到了那道闪光,
08:03
Susana苏珊娜 did a simple简单
186
468000
2000
苏珊娜做了一个简单
08:05
but brutally粗暴地 effective有效 experiment实验.
187
470000
2000
但直截了当而有效的实验。
08:07
She cut the heads off of her flies苍蝇.
188
472000
3000
她把果蝇的头切掉。
08:11
These headless无头 bodies身体 can live生活 for about a day,
189
476000
3000
这些无头的身体可以生存约一天。
08:14
but they don't do much.
190
479000
2000
但它们并不会有太多活动。
08:16
They just stand around
191
481000
3000
它们会站着
08:19
and groom马夫 excessively过分地.
192
484000
3000
并不停的替自己梳理。
08:22
So it seems似乎 that the only trait特征 that survives生存 decapitation斩首 is vanity虚荣.
193
487000
3000
如此看来,断头之后,好像只有虚荣心这一个人格特征能够保存下来。
08:25
(Laughter笑声)
194
490000
3000
(笑声)
08:30
Anyway无论如何, as you'll你会 see in a moment时刻,
195
495000
2000
无论如何,一会后你将会看到,
08:32
Susana苏珊娜 was able能够 to turn on the flight飞行 motor发动机
196
497000
3000
苏珊娜能够启动果蝇的逃走运动神经
08:35
of what's the equivalent当量 of the spinal cord of these flies苍蝇
197
500000
3000
这相等于果蝇的脊椎
08:38
and get some of the headless无头 bodies身体
198
503000
2000
并令一些无头的身体
08:40
to actually其实 take off and fly away.
199
505000
3000
离地飞走。
08:47
They didn't get very far, obviously明显.
200
512000
2000
很明显,它们飞不了很远。
08:50
Since以来 we took these first steps脚步,
201
515000
2000
自从我们走出了第一步之后,
08:52
the field领域 of optogenetics光遗传学 has exploded爆炸.
202
517000
3000
光基因技术这个领域百花齐放。
08:55
And there are now hundreds数以百计 of labs实验室
203
520000
2000
现在,已经有数以百计的实验室
08:57
using运用 these approaches方法.
204
522000
2000
在使用这些方法。
08:59
And we've我们已经 come a long way
205
524000
2000
从伽伐尼及苏珊娜的第一步
09:01
since以来 Galvani's伽伐尼的 and Susana's苏珊娜的 first successes成功
206
526000
3000
令动物抽搐或跳动的成功到现在
09:04
in making制造 animals动物 twitch抽搐 or jump.
207
529000
2000
我们取得了长足的进步。
09:06
We can now actually其实 interfere干扰 with their psychology心理学
208
531000
3000
现在我们能够
09:09
in rather profound深刻 ways方法,
209
534000
2000
彻底地干扰它们的心理。
09:11
as I'll show显示 you in my last example,
210
536000
2000
在我最后的例子中,我将会为你展示,
09:13
which哪一个 is directed针对 at a familiar question.
211
538000
3000
一个老生常谈的问题。
09:16
Life is a string of choices选择
212
541000
3000
生命就是一连串的决择
09:19
creating创建 a constant不变 pressure压力 to decide决定 what to do next下一个.
213
544000
3000
这就造成了一个常存的压力,迫使我们决定下一步的行动。
09:23
We cope应付 with this pressure压力 by having brains大脑,
214
548000
3000
我们以大脑来应对这个压力。
09:26
and within our brains大脑, decision-making做决定 centers中心
215
551000
3000
我们的大脑是我们的决策中心
09:29
that I've called here the "Actor演员."
216
554000
3000
我把它叫做“执行者”。
09:33
The Actor演员 implements器物 a policy政策 that takes into account帐户
217
558000
3000
这个“执行者”执行一个政策
09:36
the state of the environment环境
218
561000
2000
这政策会考虑到周遭环境的因素
09:38
and the context上下文 in which哪一个 we operate操作.
219
563000
3000
以及我们生活的背景。
09:41
Our actions行动 change更改 the environment环境, or context上下文,
220
566000
3000
我们的行为改变环境,或背景,
09:44
and these changes变化 are then fed美联储 back into the decision决定 loop循环.
221
569000
3000
而这些改变会反馈到我们的决策回路中。
09:48
Now to put some neurobiological神经生物学 meat
222
573000
3000
现在要把一些神经生物学的东西
09:51
on this abstract抽象 model模型,
223
576000
2000
添加到这个模型中,
09:53
we constructed a simple简单 one-dimensional一维 world世界
224
578000
2000
我们建造了一个简单的一维空间
09:55
for our favorite喜爱 subject学科, fruit水果 flies苍蝇.
225
580000
3000
把我们最爱的实验对象,果蝇,放进去。
09:58
Each chamber in these two vertical垂直 stacks
226
583000
2000
两架玻璃管中的每一个小室
10:00
contains包含 one fly.
227
585000
2000
都放有一只果蝇。
10:02
The left and the right halves of the chamber
228
587000
3000
小室的左右两边
10:05
are filled填充 with two different不同 odors气味,
229
590000
2000
弥漫着两种不同的气味,
10:07
and a security安全 camera相机 watches手表
230
592000
2000
闭路电视会一直观察着
10:09
as the flies苍蝇 pace步伐 up and down between之间 them.
231
594000
3000
看着果蝇来回踱步。
10:12
Here's这里的 some such这样 CCTV央视 footage镜头.
232
597000
2000
这里有一些闭路电视的片段。
10:14
Whenever每当 a fly reaches到达 the midpoint中点 of the chamber
233
599000
3000
当一只果蝇到达小室的中间
10:17
where the two odor气味 streams meet遇到,
234
602000
2000
两种气味会交汇的地方时,
10:19
it has to make a decision决定.
235
604000
2000
果蝇必须作出决定。
10:21
It has to decide决定 whether是否 to turn around
236
606000
2000
它要决定是回头
10:23
and stay in the same相同 odor气味,
237
608000
2000
留在同一种气味中,
10:25
or whether是否 to cross交叉 the midline中线
238
610000
2000
还是跨过中线
10:27
and try something new.
239
612000
2000
去尝试新事物。
10:29
These decisions决定 are clearly明确地 a reflection反射
240
614000
3000
这些决策显然是
10:32
of the Actor's演员的 policy政策.
241
617000
3000
根据“执行者”的政策来执行的。
10:36
Now for an intelligent智能 being存在 like our fly,
242
621000
3000
对我们的果蝇,这样有智慧的生物来说,
10:39
this policy政策 is not written书面 in stone
243
624000
3000
这个政策并非刻在石头上一成不变的,
10:42
but rather changes变化 as the animal动物 learns获悉 from experience经验.
244
627000
3000
它会根据自身的经验而转变。
10:45
We can incorporate合并 such这样 an element元件
245
630000
2000
我们可以将这样一个
10:47
of adaptive自适应 intelligence情报 into our model模型
246
632000
3000
适应性智能的元素加进我们的模型里
10:50
by assuming假设 that the fly's飞的 brain
247
635000
2000
我们要假设果蝇的大脑里
10:52
contains包含 not only an Actor演员,
248
637000
2000
不只有一个“执行者”,
10:54
but a different不同 group of cells细胞,
249
639000
2000
而是也拥有多组不同的细胞,
10:56
a "Critic评论家," that provides提供 a running赛跑 commentary评论
250
641000
3000
包括一个“批评家”,不断地
10:59
on the Actor's演员的 choices选择.
251
644000
2000
给“执行者”的决定提出意见。
11:01
You can think of this nagging唠叨 inner voice语音
252
646000
3000
你可以把这个唠叨的内在声音
11:04
as sort分类 of the brain's大脑的 equivalent当量
253
649000
2000
当成是大脑里的
11:06
of the Catholic天主教徒 Church教会,
254
651000
2000
天主教教堂,
11:08
if you're an Austrian like me,
255
653000
3000
如果你跟我一样是奥地利人的话,
11:11
or the super-ego超我, if you're Freudian弗洛伊德,
256
656000
3000
或者可以把它当成佛洛依德学说中所说的“超我”,
11:14
or your mother母亲, if you're Jewish犹太.
257
659000
2000
如果你是犹太人,或者可以把它当成你的“母亲大人”。
11:16
(Laughter笑声)
258
661000
4000
(笑声)
11:20
Now obviously明显,
259
665000
2000
现在,明显的
11:22
the Critic评论家 is a key ingredient成分
260
667000
3000
这个“批评家”在我们的智力系统中
11:25
in what makes品牌 us intelligent智能.
261
670000
2000
是一个重要的组成部分
11:27
So we set out to identify鉴定
262
672000
2000
所以,我们希望可以认出
11:29
the cells细胞 in the fly's飞的 brain
263
674000
2000
这些在果蝇的大脑中
11:31
that played发挥 the role角色 of the Critic评论家.
264
676000
2000
扮演着“批评家”角色的细胞。
11:33
And the logic逻辑 of our experiment实验 was simple简单.
265
678000
3000
我们实验的逻辑很简单。
11:36
We thought if we could use our optical光纤 remote远程 control控制
266
681000
3000
我们的假设是:如果我们能够用我们的光学遥控器
11:39
to activate启用 the cells细胞 of the Critic评论家,
267
684000
3000
来驱动那些“批评家”细胞,
11:42
we should be able能够, artificially人为, to nag唠叨 the Actor演员
268
687000
3000
那么我们应该可以,人工地,不断烦扰“执行者”
11:45
into changing改变 its policy政策.
269
690000
2000
使它改变它的政策。
11:47
In other words,
270
692000
2000
换句话说,
11:49
the fly should learn学习 from mistakes错误
271
694000
2000
这飞蝇应该能够从错误中学习
11:51
that it thought it had made制作
272
696000
2000
它们会认为自己犯了错误,
11:53
but, in reality现实, it had not made制作.
273
698000
3000
即使它们其实并没有。
11:56
So we bred孕育 flies苍蝇
274
701000
2000
我们培植了一些果蝇
11:58
whose谁的 brains大脑 were more or less randomly随机 peppered接二连三
275
703000
3000
它们的脑部被多多少少地随机安置了
12:01
with cells细胞 that were light addressable寻址.
276
706000
2000
一些可以用光驱动的细胞。
12:03
And then we took these flies苍蝇
277
708000
2000
我们拿出这些果蝇
12:05
and allowed允许 them to make choices选择.
278
710000
2000
给予它们做决策的机会。
12:07
And whenever每当 they made制作 one of the two choices选择,
279
712000
2000
每当它们作出两选一的决定,
12:09
chose选择 one odor气味,
280
714000
2000
选到一种气味时,
12:11
in this case案件 the blue蓝色 one over the orange橙子 one,
281
716000
2000
在这个具体案例中,它选了蓝色而非橙色的那种,
12:13
we switched交换的 on the lights灯火.
282
718000
2000
我们就亮灯。
12:15
If the Critic评论家 was among其中 the optically光学 activated活性 cells细胞,
283
720000
3000
如果“批评家”在光驱动细胞中,
12:18
the result结果 of this intervention介入
284
723000
2000
这种干扰的结果会使
12:20
should be a change更改 in policy政策.
285
725000
3000
果蝇改变它的政策。
12:23
The fly should learn学习 to avoid避免
286
728000
2000
果蝇就应该学会去避开
12:25
the optically光学 reinforced加强 odor气味.
287
730000
2000
那种受光学加强的气味。
12:27
Here's这里的 what happened发生 in two instances实例:
288
732000
3000
这里有两个不同案例中的情况。
12:30
We're comparing比较 two strains of flies苍蝇,
289
735000
3000
我们在比较两个不同品种的果蝇,
12:33
each of them having
290
738000
2000
它们的脑部分别有
12:35
about 100 light-addressable光寻址 cells细胞 in their brains大脑,
291
740000
2000
大概一百个可光驱动的细胞,
12:37
shown显示 here in green绿色 on the left and on the right.
292
742000
3000
在这里以绿色来显示。
12:40
What's common共同 among其中 these groups of cells细胞
293
745000
3000
两组细胞的相同之处
12:43
is that they all produce生产 the neurotransmitter神经递质 dopamine多巴胺.
294
748000
3000
在于它们都会制造神经递质多巴胺。
12:46
But the identities身份 of the individual个人
295
751000
2000
但是每个制造多巴胺的神经细胞
12:48
dopamine-producing多巴胺产生 neurons神经元
296
753000
2000
的身份
12:50
are clearly明确地 largely大部分 different不同 on the left and on the right.
297
755000
3000
在左右两边显然是不同的。
12:53
Optically光学 activating激活
298
758000
2000
以光学来驱动
12:55
these hundred or so cells细胞
299
760000
2000
大概一百多个细胞
12:57
into two strains of flies苍蝇
300
762000
2000
在两个不同品种的果蝇里,
12:59
has dramatically显着 different不同 consequences后果.
301
764000
2000
会有极其不同的后果。
13:01
If you look first at the behavior行为
302
766000
2000
如果你先看看
13:03
of the fly on the right,
303
768000
2000
右边果蝇的行为,
13:05
you can see that whenever每当 it reaches到达 the midpoint中点 of the chamber
304
770000
3000
你可以看到,当它到达小室的中心点
13:08
where the two odors气味 meet遇到,
305
773000
2000
两种气味的交汇的地方时,
13:10
it marches游行 straight直行 through通过, as it did before.
306
775000
3000
它会一直走过去,就像从前一样。
13:13
Its behavior行为 is completely全然 unchanged不变.
307
778000
2000
它的行为完全没有受光学驱动细胞的影响。
13:15
But the behavior行为 of the fly on the left is very different不同.
308
780000
3000
但是左边的果蝇,情况就大不相同了
13:18
Whenever每当 it comes up to the midpoint中点,
309
783000
3000
每当它来到中心点,
13:21
it pauses暂停,
310
786000
2000
它会停下,
13:23
it carefully小心 scans扫描 the odor气味 interface接口
311
788000
2000
谨慎地检查气味的接合点,
13:25
as if it was sniffing嗅探 out its environment环境,
312
790000
2000
就好像在打探周遭的环境,
13:27
and then it turns around.
313
792000
2000
然后它会回头。
13:29
This means手段 that the policy政策 that the Actor演员 implements器物
314
794000
3000
这证明“执行者”实施的政策中
13:32
now includes包括 an instruction指令 to avoid避免 the odor气味
315
797000
2000
现在包括了躲开那种气味的指令
13:34
that's in the right half of the chamber.
316
799000
3000
该种气味是从小室右边散发过来的。
13:37
This means手段 that the Critic评论家
317
802000
2000
这说明“批评家”
13:39
must必须 have spoken in that animal动物,
318
804000
2000
一定对果蝇提过意见了,
13:41
and that the Critic评论家 must必须 be contained
319
806000
2000
这说明在左边的果蝇中,“批评家”
13:43
among其中 the dopamine-producing多巴胺产生 neurons神经元 on the left,
320
808000
3000
是那些能够制造多巴胺的神经细胞中的一个,
13:46
but not among其中 the dopamine多巴胺 producing生产 neurons神经元 on the right.
321
811000
3000
但在右边的果蝇中,“批评家”并不在那些能够制造多巴胺的神经细胞中。
13:49
Through通过 many许多 such这样 experiments实验,
322
814000
3000
通过很多这样的实验,
13:52
we were able能够 to narrow狭窄 down
323
817000
2000
我们成功地把
13:54
the identity身分 of the Critic评论家
324
819000
2000
“批评家”的身分
13:56
to just 12 cells细胞.
325
821000
2000
缩小到了十二个细胞。
13:58
These 12 cells细胞, as shown显示 here in green绿色,
326
823000
3000
这十二个细胞,在这里以绿色显示,
14:01
send发送 the output产量 to a brain structure结构体
327
826000
2000
它们对一个
14:03
called the "mushroom蘑菇 body身体,"
328
828000
2000
叫做“蘑菇体”的脑结构发出讯号,
14:05
which哪一个 is shown显示 here in gray灰色.
329
830000
2000
在这里以灰色呈现出来。
14:07
We know from our formal正式 model模型
330
832000
2000
我们从抽象模型中知道
14:09
that the brain structure结构体
331
834000
2000
那个接收“评论员”批评的脑结构
14:11
at the receiving接收 end结束 of the Critic's评论家 commentary评论 is the Actor演员.
332
836000
3000
就是“执行者”。
14:14
So this anatomy解剖学 suggests提示
333
839000
2000
这个分析指出
14:16
that the mushroom蘑菇 bodies身体 have something to do
334
841000
3000
蘑菇体和
14:19
with action行动 choice选择.
335
844000
2000
行动的决策有着一定的关系。
14:21
Based基于 on everything we know about the mushroom蘑菇 bodies身体,
336
846000
2000
基于我们对蘑菇体的了解,
14:23
this makes品牌 perfect完善 sense.
337
848000
2000
这是完全能够想像的。
14:25
In fact事实, it makes品牌 so much sense
338
850000
2000
事实上,这非常合理,
14:27
that we can construct构造 an electronic电子 toy玩具 circuit电路
339
852000
3000
我们能够建构一个电子玩具电路
14:30
that simulates可模拟 the behavior行为 of the fly.
340
855000
3000
用以模拟果蝇的行为。
14:33
In this electronic电子 toy玩具 circuit电路,
341
858000
3000
这个电子玩具电路中,
14:36
the mushroom蘑菇 body身体 neurons神经元 are symbolized象征
342
861000
2000
蘑菇体神经细胞以
14:38
by the vertical垂直 bank银行 of blue蓝色 LEDs发光二极管
343
863000
3000
在电路中心的竖排蓝色发光二极管
14:41
in the center中央 of the board.
344
866000
3000
来表示。
14:44
These LED'sLED的 are wired有线 to sensors传感器
345
869000
2000
这些发光二极管上接有感应器
14:46
that detect检测 the presence存在 of odorous芳香 molecules分子 in the air空气.
346
871000
3000
用以探测空气中的气味分子。
14:50
Each odor气味 activates激活 a different不同 combination组合 of sensors传感器,
347
875000
3000
不同的气味都会激活不同组合的感应器,
14:53
which哪一个 in turn activates激活
348
878000
2000
而它们再驱动
14:55
a different不同 odor气味 detector探测器 in the mushroom蘑菇 body身体.
349
880000
3000
蘑菇体中另一个气味检测器。
14:58
So the pilot飞行员 in the cockpit座舱 of the fly,
350
883000
2000
所以在果蝇驾驶舱中的飞行员,
15:00
the Actor演员,
351
885000
2000
“执行者”,
15:02
can tell which哪一个 odor气味 is present当下
352
887000
2000
要知道哪一种气味存在
15:04
simply只是 by looking at which哪一个 of the blue蓝色 LEDs发光二极管 lights灯火 up.
353
889000
4000
只要看看哪颗蓝色发光二极管亮起来就行了。
15:09
What the Actor演员 does with this information信息
354
894000
2000
“执行者”得到这个讯息之后的行为
15:11
depends依靠 on its policy政策,
355
896000
2000
取决于它的政策,
15:13
which哪一个 is stored存储 in the strengths优势 of the connection连接,
356
898000
2000
这些政策都是根据
15:15
between之间 the odor气味 detectors探测器
357
900000
2000
气味检测器
15:17
and the motors马达
358
902000
2000
与运动神经之间关联的强度来储存的
15:19
that power功率 the fly's飞的 evasive逃避的 actions行动.
359
904000
2000
这驱动了果蝇的逃亡行为。
15:22
If the connection连接 is weak, the motors马达 will stay off
360
907000
2000
如果关联性弱,运动神经会保持关上
15:24
and the fly will continue继续 straight直行 on its course课程.
361
909000
3000
那只果蝇会继续前进。
15:27
If the connection连接 is strong强大, the motors马达 will turn on
362
912000
3000
如果关联性强,运动神经就会启动
15:30
and the fly will initiate发起 a turn.
363
915000
3000
那只果蝇就会作一个转身。
15:33
Now consider考虑 a situation情况
364
918000
2000
现在试想这样一个情况
15:35
in which哪一个 the motors马达 stay off,
365
920000
2000
就是当运动神经保持关上时,
15:37
the fly continues继续 on its path路径
366
922000
3000
那只果蝇继续前行
15:40
and it suffers患有 some painful痛苦 consequence后果
367
925000
2000
它就会遭受一些痛苦的后果
15:42
such这样 as getting得到 zapped轮回一圈.
368
927000
2000
例如遭到电击。
15:44
In a situation情况 like this,
369
929000
2000
在这样的情况下,
15:46
we would expect期望 the Critic评论家 to speak说话 up
370
931000
2000
我们可以预期“批评家”会发表意见
15:48
and to tell the Actor演员
371
933000
2000
并告诉“执行者”
15:50
to change更改 its policy政策.
372
935000
2000
要它改变它的政策。
15:52
We have created创建 such这样 a situation情况, artificially人为,
373
937000
3000
我们人工地制造了这样的一个情境
15:55
by turning车削 on the critic评论家 with a flash of light.
374
940000
3000
以一束光来启动“批评家”。
15:58
That caused造成 a strengthening强化 of the connections连接
375
943000
3000
这样就可以加强
16:01
between之间 the currently目前 active活性 odor气味 detector探测器
376
946000
3000
正在起作用的气味检测细胞
16:04
and the motors马达.
377
949000
2000
与运动神经之间的关联。
16:06
So the next下一个 time
378
951000
2000
所以,下一次
16:08
the fly finds认定 itself本身 facing面对 the same相同 odor气味 again,
379
953000
3000
当果蝇再次面对同样的气味时,
16:11
the connection连接 is strong强大 enough足够 to turn on the motors马达
380
956000
3000
关联性将会有足够的强度去启动运动神经
16:14
and to trigger触发 an evasive逃避的 maneuver演习.
381
959000
3000
并引发果蝇进行回避。
16:19
I don't know about you,
382
964000
3000
我不知道你的想法,
16:22
but I find it exhilarating令人振奋 to see
383
967000
3000
但我觉得这样的实验非常令人兴奋
16:25
how vague模糊 psychological心理 notions概念
384
970000
3000
虚无的心理学概念
16:28
evaporate蒸发 and give rise上升
385
973000
2000
不见了,却引出了
16:30
to a physical物理, mechanistic机械 understanding理解 of the mind心神,
386
975000
3000
对思维在物理学上,机能上的理解,
16:33
even if it's the mind心神 of the fly.
387
978000
3000
虽然这只是果蝇的思维。
16:36
This is one piece of good news新闻.
388
981000
3000
这是一个好消息。
16:39
The other piece of good news新闻,
389
984000
2000
另一个好消息,
16:41
for a scientist科学家 at least最小,
390
986000
2000
至少对于一个科学家来说,
16:43
is that much remains遗迹 to be discovered发现.
391
988000
3000
就是世界上还有很多尚待发掘的东西。
16:46
In the experiments实验 I told you about,
392
991000
2000
在我讲诉的这个实验里,
16:48
we have lifted取消 the identity身分 of the Critic评论家,
393
993000
3000
我们发掘出了“批评家”的真正身分,
16:51
but we still have no idea理念
394
996000
2000
但是我们还不知道
16:53
how the Critic评论家 does its job工作.
395
998000
2000
“批评家”是怎样完成它的工作的。
16:55
Come to think of it, knowing会心 when you're wrong错误
396
1000000
2000
试想一下,在没有老师,或者你的母亲大人告诉你的情况下
16:57
without a teacher老师, or your mother母亲, telling告诉 you,
397
1002000
3000
要知道你自己犯了错,
17:00
is a very hard problem问题.
398
1005000
2000
是一件非常不容易的事情。
17:02
There are some ideas思路 in computer电脑 science科学
399
1007000
2000
电脑科学领域
17:04
and in artificial人造 intelligence情报
400
1009000
2000
以及人工智能领域中的一些想法
17:06
as to how this might威力 be doneDONE,
401
1011000
2000
就是试图去解释这件事情是如何发生的,
17:08
but we still haven't没有 solved解决了
402
1013000
2000
但是到现在我们还无法解释
17:10
a single example
403
1015000
2000
任何一个实际例子中
17:12
of how intelligent智能 behavior行为
404
1017000
3000
智能行为是如何
17:15
springs弹簧 from the physical物理 interactions互动
405
1020000
2000
在生命体的物理交互中
17:17
in living活的 matter.
406
1022000
2000
产生的。
17:19
I think we'll get there in the not too distant遥远 future未来.
407
1024000
3000
我想在不久的将来, 我们会找到答案的。
17:22
Thank you.
408
1027000
2000
谢谢。
17:24
(Applause掌声)
409
1029000
4000
(掌声)
Translated by Jenny Yang
Reviewed by Yi You

▲Back to top

ABOUT THE SPEAKER
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.

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.

More profile about the speaker
Gero Miesenboeck | Speaker | TED.com