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

基洛.米辛博的基因改造大腦

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在繪製大腦圖的時候,很多科學家嘗試用令人氣餒的方法去記錄每一個神經細胞的活動。基洛.米辛博把這個程序倒過來: 他利用生物科技改造果蠅,使它們對光產生特殊的反應。透過一系列絕妙的實驗,他改變果蠅的某些神經細胞,去了解它們的功能。
- 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

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00:15
I have a doppelganger分身.
0
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我有一個分身
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(Laughter笑聲)
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3000
3000
(笑聲)
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Dr博士. Gero格羅 is a brilliant輝煌
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基洛(台:蓋洛/可羅)博士是一個天才
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but slightly mad scientist科學家
3
9000
2000
但也是一個有少許瘋狂的科學家
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in the "Dragonball七龍珠 Z: AndroidAndroid的 Saga冒險故事."
4
11000
3000
在《龍珠.人造人傳說》中
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If you look very carefully小心,
5
14000
2000
如果你細心留意
00:31
you see that his skull頭骨 has been replaced更換
6
16000
3000
你可以發現他的頭蓋骨被換掉了
00:34
with a transparent透明 Plexiglas有機玻璃 dome拱頂
7
19000
2000
並以一個玻璃罩蓋著
00:36
so that the workings運作 of his brain can be observed觀察到的
8
21000
3000
因此,他的腦部運作可被看見
00:39
and also controlled受控 with light.
9
24000
3000
亦可以光學控制
00:42
That's exactly究竟 what I do --
10
27000
2000
這實在就是我所做的 --
00:44
optical光纖 mind心神 control控制.
11
29000
2000
光學操控思想
00:46
(Laughter笑聲)
12
31000
2000
(笑聲)
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But in contrast對比 to my evil邪惡 twin雙胞胎
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2000
但與我的攣生兄弟不同
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who lusts情慾 after world世界 domination統治,
14
35000
3000
他貪戀操控世界
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my motives動機 are not sinister險惡.
15
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我的動機並不邪惡
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I control控制 the brain
16
41000
2000
我控制腦部
00:58
in order訂購 to understand理解 how it works作品.
17
43000
2000
是希望可以了解它的運作
01:00
Now wait a minute分鐘, you may可能 say,
18
45000
2000
現在,你或許會說
01:02
how can you go straight直行 to controlling控制 the brain
19
47000
3000
你怎可以直接操控腦部的運作
01:05
without understanding理解 it first?
20
50000
2000
而沒有先了解它的運作呢?
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Isn't that putting the cart大車 before the horse?
21
52000
3000
這不是本末倒置嗎?
01:11
Many許多 neuroscientists神經學家 agree同意 with this view視圖
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56000
3000
很多腦神經科學家會同意這個懷疑
01:14
and think that understanding理解 will come
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59000
3000
但也相信從精細的觀察和分析中
01:17
from more detailed詳細 observation意見 and analysis分析.
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62000
3000
他們將會更了解腦部的運作
01:20
They say, "If we could record記錄 the activity活動 of our neurons神經元,
25
65000
4000
他們說:如果我們可以記錄腦神經的活動
01:24
we would understand理解 the brain."
26
69000
3000
我們即可了解腦部的運作
01:27
But think for a moment時刻 what that means手段.
27
72000
3000
但是,請試想他們的理據
01:30
Even if we could measure測量
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75000
2000
即使我們可以量度
01:32
what every一切 cell細胞 is doing at all times,
29
77000
2000
每一個細胞、每一刻的活動
01:34
we would still have to make sense
30
79000
2000
我們也需要解釋
01:36
of the recorded記錄 activity活動 patterns模式,
31
81000
2000
所記錄的神經細胞活動規律
01:38
and that's so difficult,
32
83000
2000
這是很困難的
01:40
chances機會 are we'll understand理解 these patterns模式
33
85000
2000
我們了解這些規律的機會不大
01:42
just as little as the brains大腦 that produce生產 them.
34
87000
3000
就像我們不知道為何腦部會製造它們
01:45
Take a look at what brain activity活動 might威力 look like.
35
90000
3000
看一看這腦部的活動
01:48
In this simulation模擬, each black黑色 dot
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93000
2000
在這個模擬中,每一個黑點
01:50
is one nerve神經 cell細胞.
37
95000
2000
是一個神經細胞
01:52
The dot is visible可見
38
97000
2000
那些點是可見的
01:54
whenever每當 a cell細胞 fires火災 an electrical電動 impulse衝動.
39
99000
2000
每當一個細胞發出一個電子脈衝
01:56
There's 10,000 neurons神經元 here.
40
101000
2000
這裏有一萬個神經細胞
01:58
So you're looking at roughly大致 one percent百分
41
103000
2000
你現在看到的是
02:00
of the brain of a cockroach蟑螂.
42
105000
3000
蟑螂腦部的百分之一
02:04
Your brains大腦 are about 100 million百萬 times
43
109000
3000
你們的腦部有大概有一億倍
02:07
more complicated複雜.
44
112000
2000
的複雜
02:09
Somewhere某處, in a pattern模式 like this,
45
114000
2000
在這個的圖案中,有一部分
02:11
is you,
46
116000
2000
代表你
02:13
your perceptions看法,
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118000
2000
你的感知
02:15
your emotions情緒, your memories回憶,
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120000
3000
你的情緒,你的記億
02:18
your plans計劃 for the future未來.
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123000
2000
你對將來的計劃
02:20
But we don't know where,
50
125000
2000
但是我們無法得知哪裏
02:22
since以來 we don't know how to read the pattern模式.
51
127000
3000
因為我們不懂得去為這些圖案解碼
02:25
We don't understand理解 the code used by the brain.
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130000
3000
我們不了解大腦所用的編碼
02:28
To make progress進展,
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133000
2000
要有進展
02:30
we need to break打破 the code.
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135000
2000
我們需要解碼
02:32
But how?
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137000
2000
但怎樣解碼呢?
02:35
An experienced有經驗的 code-breaker代碼斷路器 will tell you
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140000
2000
一個富有經驗的密碼破譯員會告訴你
02:37
that in order訂購 to figure數字 out what the symbols符號 in a code mean,
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142000
3000
要解開符號的真正意義
02:40
it's essential必要 to be able能夠 to play with them,
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145000
3000
我們必須能夠使用它們
02:43
to rearrange改編 them at will.
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148000
2000
以我們的意願重新組合它們
02:45
So in this situation情況 too,
60
150000
2000
所以,在這個情況下
02:47
to decode解碼 the information信息
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152000
2000
要獲取蘊含在這個圖案
02:49
contained in patterns模式 like this,
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154000
2000
當中的信息
02:51
watching觀看 alone單獨 won't慣於 do.
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156000
2000
光是觀察是不能實現的
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We need to rearrange改編 the pattern模式.
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158000
2000
我們需要重新組合這些圖案
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In other words,
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160000
2000
換句話說
02:57
instead代替 of recording記錄 the activity活動 of neurons神經元,
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162000
2000
單單記錄神經細胞的活動並不可取
02:59
we need to control控制 it.
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164000
2000
我們需要控制這些圖案
03:01
It's not essential必要 that we can control控制
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166000
2000
我們無須控制
03:03
the activity活動 of all neurons神經元 in the brain, just some.
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168000
3000
腦中所有神經細胞的活動,一些就足夠
03:06
The more targeted針對 our interventions干預措施, the better.
70
171000
2000
對神經細胞的活動干預愈多,效果愈佳
03:08
And I'll show顯示 you in a moment時刻
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173000
2000
我將在往後的時間為你展示
03:10
how we can achieve實現 the necessary必要 precision精確.
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175000
3000
我們怎樣達到所需的精確度
03:13
And since以來 I'm realistic實際, rather than grandiose雄偉,
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178000
3000
因為我個人比較現實,而非華而不實
03:16
I don't claim要求 that the ability能力 to control控制 the function功能 of the nervous緊張 system系統
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181000
3000
我不會宣稱能夠操控神經細胞的功能
03:19
will at once一旦 unravel all its mysteries奧秘.
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184000
3000
會一次揭開所有關於神經細胞的奧秘
03:22
But we'll certainly當然 learn學習 a lot.
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187000
3000
但是我們的確會從中學到很多
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Now, I'm by no means手段
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192000
2000
現在,我絕不是
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the first person to realize實現
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194000
2000
世上第一個發現
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how powerful強大 a tool工具 intervention介入 is.
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196000
3000
干預神經細胞運作的後果多麼強大的人
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The history歷史 of attempts嘗試
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199000
2000
歷史上,嘗試
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to tinker修補匠 with the function功能 of the nervous緊張 system系統
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201000
2000
去改變神經系統的機能
03:38
is long and illustrious傑出.
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203000
2000
有長久且卓越的效果
03:40
It dates日期 back at least最小 200 years年份,
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205000
3000
在至少二百年前就有這樣的例子
03:43
to Galvani's伽伐尼的 famous著名 experiments實驗
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208000
2000
從伽伐尼(Galvani)著名的實驗
03:45
in the late晚了 18th century世紀 and beyond.
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210000
3000
十八世紀開始,一直就出現
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Galvani伽伐尼 showed顯示 that a frog's青蛙 legs twitched抽動
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214000
3000
伽伐尼證明,只要他把青蛙的腰神經
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when he connected連接的 the lumbar nerve神經
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217000
2000
接上電流
03:54
to a source資源 of electrical電動 current當前.
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219000
3000
青蛙的腳會抽搐
03:57
This experiment實驗 revealed透露 the first, and perhaps也許 most fundamental基本的,
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222000
3000
這個實驗首次,並從根本顯示
04:00
nugget金塊 of the neural神經 code:
90
225000
2000
一個神經訊號的事實:
04:02
that information信息 is written書面 in the form形成
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227000
2000
這些訊號是以
04:04
of electrical電動 impulses衝動.
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229000
3000
電子脈衝的方式編寫的
04:08
Galvani's伽伐尼的 approach途徑
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233000
2000
伽伐尼嘗試
04:10
of probing探測 the nervous緊張 system系統 with electrodes電極
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235000
2000
以電極探究神經系統
04:12
has remained保持 state-of-the-art最先進的 until直到 today今天,
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237000
3000
即使以今天的科技來說,都是最先進領前的
04:15
despite儘管 a number of drawbacks缺點.
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240000
3000
雖然當中有相當的缺陷
04:18
Sticking堅持 wires電線 into the brain is obviously明顯 rather crude原油.
97
243000
3000
將電線接到腦部上,顯然是相當殘忍的
04:21
It's hard to do in animals動物 that run around,
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246000
2000
這樣的設計也難實踐於走動的動物上
04:23
and there is a physical物理 limit限制
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248000
2000
當中亦有物理上的限制
04:25
to the number of wires電線
100
250000
2000
只有少量的電線
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that can be inserted插入 simultaneously同時.
101
252000
3000
能夠同時安插在腦部
04:30
So around the turn of the last century世紀,
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255000
2000
因此,在上世紀末
04:32
I started開始 to think,
103
257000
2000
我開始思考
04:34
"Wouldn't豈不 it be wonderful精彩 if one could take this logic邏輯
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259000
3000
如果這樣的邏輯能得到認同,並反過來思考
04:37
and turn it upside上邊 down?"
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262000
2000
那就好了
04:39
So instead代替 of inserting插入 a wire
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264000
2000
我們沒有把電線
04:41
into one spot of the brain,
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266000
3000
接到腦部的某一點
04:44
re-engineer重新設計 the brain itself本身
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269000
2000
反而是以生物工程改造腦部
04:46
so that some of its neural神經 elements分子
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271000
3000
令某些神經系統的組件
04:49
become成為 responsive響應 to diffusely廣泛地 broadcast廣播 signals信號
110
274000
3000
能夠感應擴散的廣播訊號
04:52
such這樣 as a flash of light.
111
277000
3000
好像一束的閃光
04:55
Such這樣 an approach途徑 would literally按照字面, in a flash of light,
112
280000
3000
這樣的方式會確實地,很迅速地
04:58
overcome克服 many許多 of the obstacles障礙 to discovery發現.
113
283000
3000
解決很多科學發現的障礙
05:01
First, it's clearly明確地 a non-invasive無創,
114
286000
3000
第一,明顯地這是無創傷性的、
05:04
wireless無線 form形成 of communication通訊.
115
289000
3000
無線的傳輸方法
05:07
And second第二, just as in a radio無線電 broadcast廣播,
116
292000
2000
第二,就像無線電廣播
05:09
you can communicate通信 with many許多 receivers接收器 at once一旦.
117
294000
3000
你可以跟很多訊號接收者同時溝通
05:12
You don't need to know where these receivers接收器 are,
118
297000
3000
但是你並不需要知道那些接收器所在的地點
05:15
and it doesn't matter if these receivers接收器 move移動 --
119
300000
2000
再者,訊號接收者的活動也不會妨礙接收
05:17
just think of the stereo立體聲 in your car汽車.
120
302000
3000
情況就像車子中的收音機
05:20
It gets得到 even better,
121
305000
3000
我們的情況更理想
05:23
for it turns out that we can fabricate製造 the receivers接收器
122
308000
3000
我們可以用 DNA 編碼的物料
05:26
out of materials物料 that are encoded編碼 in DNA脫氧核糖核酸.
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311000
3000
裝配這些接收器
05:29
So each nerve神經 cell細胞
124
314000
2000
以致每一個神經細胞
05:31
with the right genetic遺傳 makeup化妝
125
316000
2000
都有正確的基因構造
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will spontaneously自發 produce生產 a receiver接收器
126
318000
3000
它們會自然產生出一個接收器
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that allows允許 us to control控制 its function功能.
127
321000
3000
讓我們能夠控制這些功能
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I hope希望 you'll你會 appreciate欣賞
128
324000
2000
我希望你會欣賞
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the beautiful美麗 simplicity簡單
129
326000
2000
這概念的
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of this concept概念.
130
328000
2000
美麗樸實
05:45
There's no high-tech高科技 gizmos小玩意 here,
131
330000
2000
這裏沒有高科技的小玩意
05:47
just biology生物學 revealed透露 through通過 biology生物學.
132
332000
3000
只有生物理論推展出的生物理論
05:51
Now let's take a look at these miraculous神奇 receivers接收器 up close.
133
336000
3000
現在,我們不妨一看這些不可思議的接收器
05:54
As we zoom放大 in on one of these purple紫色 neurons神經元,
134
339000
3000
我們把鏡頭拉近到一個紫色的神經細胞
05:57
we see that its outer membrane
135
342000
2000
我們可以看到它的細胞外膜
05:59
is studded雲集 with microscopic顯微 pores毛孔.
136
344000
2000
佈滿著微細的氣孔
06:01
Pores毛孔 like these conduct進行 electrical電動 current當前
137
346000
2000
這些氣孔能夠讓電流通過
06:03
and are responsible主管
138
348000
2000
以及負責
06:05
for all the communication通訊 in the nervous緊張 system系統.
139
350000
2000
為神經系統傳遞信息
06:07
But these pores毛孔 here are special特別.
140
352000
2000
但是你看到的是一些特別的氣孔
06:09
They are coupled耦合 to light receptors受體
141
354000
2000
他們結合光感應受體
06:11
similar類似 to the ones那些 in your eyes眼睛.
142
356000
3000
這些光感應受體跟你眼裏的很相似
06:14
Whenever每當 a flash of light hits點擊 the receptor接收器,
143
359000
2000
只要一束閃光射在這些光感應受體
06:16
the pore opens打開, an electrical電動 current當前 is switched交換的 on,
144
361000
3000
那些氣孔便會打開,電流亦會隨之而開啟
06:19
and the neuron神經元 fires火災 electrical電動 impulses衝動.
145
364000
3000
那神經細胞便會發出電子脈衝
06:22
Because the light-activated光活化 pore is encoded編碼 in DNA脫氧核糖核酸,
146
367000
3000
因為那些光驅動氣孔是以編寫在 DNA 裏
06:25
we can achieve實現 incredible難以置信 precision精確.
147
370000
3000
我們可以達到無比的精確性
06:28
This is because,
148
373000
2000
這是因為
06:30
although雖然 each cell細胞 in our bodies身體
149
375000
2000
雖然我們身體裏的每一個細胞
06:32
contains包含 the same相同 set of genes基因,
150
377000
2000
都藏有同樣的基因
06:34
different不同 mixes混合 of genes基因 get turned轉身 on and off
151
379000
2000
在不同細胞裡,不同組合的基因
06:36
in different不同 cells細胞.
152
381000
2000
能被開啟或關掉
06:38
You can exploit利用 this to make sure
153
383000
2000
你可以利用這個原理去令
06:40
that only some neurons神經元
154
385000
2000
只有部分的神經細胞
06:42
contain包含 our light-activated光活化 pore and others其他 don't.
155
387000
3000
藏有我們設計的光驅動氣孔,而其他沒有
06:45
So in this cartoon動畫片, the bluish偏藍 white白色 cell細胞
156
390000
2000
在這個卡通中,藍白色的細胞
06:47
in the upper-left左上 corner
157
392000
2000
在左上角的那些
06:49
does not respond響應 to light
158
394000
2000
並不會對光有反應
06:51
because it lacks缺乏 the light-activated光活化 pore.
159
396000
3000
因為它們缺少了光驅動氣孔
06:54
The approach途徑 works作品 so well
160
399000
2000
這個方法運作得非常好
06:56
that we can write purely純粹 artificial人造 messages消息
161
401000
2000
我們可以用光把純淨的人工訊息
06:58
directly to the brain.
162
403000
2000
直接編寫到腦部
07:00
In this example, each electrical電動 impulse衝動,
163
405000
2000
在這個例子中,每一個電子脈衝
07:02
each deflection偏轉 on the trace跟踪,
164
407000
3000
每一個痕跡的偏差
07:05
is caused造成 by a brief簡要 pulse脈衝 of light.
165
410000
3000
都是起源於一束短暫的光脈衝
07:08
And the approach途徑, of course課程, also works作品
166
413000
2000
同時,這個方法也
07:10
in moving移動, behaving行為 animals動物.
167
415000
3000
適用於行走的動物身上
07:13
This is the first ever such這樣 experiment實驗,
168
418000
2000
這是同類實驗中的第一個
07:15
sort分類 of the optical光纖 equivalent當量 of Galvani's伽伐尼的.
169
420000
3000
可說是光學版本的伽伐尼實驗
07:18
It was doneDONE six or seven years年份 ago
170
423000
2000
這是六至七年前的事
07:20
by my then graduate畢業 student學生, Susana蘇珊娜 Lima利馬.
171
425000
3000
我當時的研究生蘇珊娜.利馬負責這實驗
07:23
Susana蘇珊娜 had engineered工程 the fruit水果 fly on the left
172
428000
3000
蘇珊娜改變左邊那果蠅的基因
07:26
so that just two out of the 200,000 cells細胞 in its brain
173
431000
4000
令二十萬神經細胞中的其中兩個
07:30
expressed表達 the light-activated光活化 pore.
174
435000
3000
出現光驅動氣孔
07:33
You're familiar with these cells細胞
175
438000
2000
你相當熟悉這些神經細胞
07:35
because they are the ones那些 that frustrate阻撓 you
176
440000
2000
因為它們就是那些煩擾你的神經細胞
07:37
when you try to swat撲打 the fly.
177
442000
2000
在你嘗試拍打它的時候
07:39
They trained熟練 the escape逃逸 reflex反射 that makes品牌 the fly jump into the air空氣
178
444000
3000
它們刺激逃跑反射作用
07:42
and fly away whenever每當 you move移動 your hand in position位置.
179
447000
3000
繼而令果蠅飛上空中和飛走
07:46
And you can see here that the flash of light has exactly究竟 the same相同 effect影響.
180
451000
3000
你可以看到,一陣閃光跟拍打的動作有著同樣的效果
07:49
The animal動物 jumps跳躍, it spreads利差 its wings翅膀, it vibrates振動 them,
181
454000
3000
那動物跳起,伸展翅膀,震動它們
07:52
but it can't actually其實 take off
182
457000
2000
但它們不能飛離地面
07:54
because the fly is sandwiched between之間 two glass玻璃 plates.
183
459000
3000
因為這果蠅被夾在兩片玻璃的中間
07:58
Now to make sure that this was no reaction反應 of the fly
184
463000
2000
要保證令果蠅展翅的
08:00
to a flash it could see,
185
465000
3000
並非因為果蠅見到那道閃光
08:03
Susana蘇珊娜 did a simple簡單
186
468000
2000
蘇珊娜做了一個簡單
08:05
but brutally粗暴地 effective有效 experiment實驗.
187
470000
2000
但直截了當的實驗
08:07
She cut the heads off of her flies蒼蠅.
188
472000
3000
她把果蠅的頭切掉
08:11
These headless無頭 bodies身體 can live生活 for about a day,
189
476000
3000
這些無頭的身體可以生存約一天
08:14
but they don't do much.
190
479000
2000
但它們並不會有太多活動
08:16
They just stand around
191
481000
3000
它們會站著
08:19
and groom馬夫 excessively過分地.
192
484000
3000
並替自己梳理
08:22
So it seems似乎 that the only trait特徵 that survives生存 decapitation斬首 is vanity虛榮.
193
487000
3000
因此,斷頭之後,能夠保存下來好像只有虛榮心
08:25
(Laughter笑聲)
194
490000
3000
(笑聲)
08:30
Anyway無論如何, as you'll你會 see in a moment時刻,
195
495000
2000
無論如何,等會你將會看到
08:32
Susana蘇珊娜 was able能夠 to turn on the flight飛行 motor發動機
196
497000
3000
蘇珊娜能夠啟動果蠅的逃走運動神經
08:35
of what's the equivalent當量 of the spinal cord of these flies蒼蠅
197
500000
3000
這相等於果蠅的脊椎
08:38
and get some of the headless無頭 bodies身體
198
503000
2000
以及令一些無頭的身體
08:40
to actually其實 take off and fly away.
199
505000
3000
離地及飛走
08:47
They didn't get very far, obviously明顯.
200
512000
2000
明顯地,它們不能走多遠
08:50
Since以來 we took these first steps腳步,
201
515000
2000
自我們開始嘗試後
08:52
the field領域 of optogenetics光遺傳學 has exploded爆炸.
202
517000
3000
光遺傳學這個領域就一觸即發
08:55
And there are now hundreds數以百計 of labs實驗室
203
520000
2000
現時,數以百計的實驗室
08:57
using運用 these approaches方法.
204
522000
2000
正使用這個方法
08:59
And we've我們已經 come a long way
205
524000
2000
這些年來,我們取得了進展
09:01
since以來 Galvani's伽伐尼的 and Susana's蘇珊娜的 first successes成功
206
526000
3000
從伽伐尼及蘇珊娜第一步
09:04
in making製造 animals動物 twitch抽搐 or jump.
207
529000
2000
令動物抽搐或跳動
09:06
We can now actually其實 interfere干擾 with their psychology心理學
208
531000
3000
現在我們能夠
09:09
in rather profound深刻 ways方法,
209
534000
2000
徹底地干擾它們的心理
09:11
as I'll show顯示 you in my last example,
210
536000
2000
在我最後的例子中,我將會為你展示
09:13
which哪一個 is directed針對 at a familiar question.
211
538000
3000
一個老生常談的問題
09:16
Life is a string of choices選擇
212
541000
3000
生命就是一連串的決擇
09:19
creating創建 a constant不變 pressure壓力 to decide決定 what to do next下一個.
213
544000
3000
常存的壓力,迫使我們下一步的行動
09:23
We cope應付 with this pressure壓力 by having brains大腦,
214
548000
3000
我們以頭腦去處理這些壓力
09:26
and within our brains大腦, decision-making做決定 centers中心
215
551000
3000
以及在我們頭腦中的決策中心
09:29
that I've called here the "Actor演員."
216
554000
3000
我會形容這個決策中心為「行者」
09:33
The Actor演員 implements器物 a policy政策 that takes into account帳戶
217
558000
3000
這個行者執行一個政策
09:36
the state of the environment環境
218
561000
2000
政策會考慮到周遭環境的因素
09:38
and the context上下文 in which哪一個 we operate操作.
219
563000
3000
和我們生活的背景
09:41
Our actions行動 change更改 the environment環境, or context上下文,
220
566000
3000
我們的行為改變環境,或情景
09:44
and these changes變化 are then fed美聯儲 back into the decision決定 loop循環.
221
569000
3000
而這些改變會反饋到我們的決策迴路
09:48
Now to put some neurobiological神經生物學 meat
222
573000
3000
現在我把神經生物的物質
09:51
on this abstract抽象 model模型,
223
576000
2000
加插到這個模型中
09:53
we constructed a simple簡單 one-dimensional一維 world世界
224
578000
2000
我們建造了一個一維的空間
09:55
for our favorite喜愛 subject學科, fruit水果 flies蒼蠅.
225
580000
3000
把我們心愛的實驗對象,果蠅,放進去
09:58
Each chamber in these two vertical垂直 stacks
226
583000
2000
兩幢玻璃管中的每一個室裏
10:00
contains包含 one fly.
227
585000
2000
都放有一隻果蠅
10:02
The left and the right halves of the chamber
228
587000
3000
左右兩邊室中
10:05
are filled填充 with two different不同 odors氣味,
229
590000
2000
瀰漫著兩種不同的氣味
10:07
and a security安全 camera相機 watches手錶
230
592000
2000
監視器會一直監察著
10:09
as the flies蒼蠅 pace步伐 up and down between之間 them.
231
594000
3000
看著果蠅來回踱步
10:12
Here's這裡的 some such這樣 CCTV央視 footage鏡頭.
232
597000
2000
這裏有一些錄到的片段
10:14
Whenever每當 a fly reaches到達 the midpoint中點 of the chamber
233
599000
3000
當一隻果蠅到達室的中間
10:17
where the two odor氣味 streams meet遇到,
234
602000
2000
兩種氣味會交錯
10:19
it has to make a decision決定.
235
604000
2000
果蠅必須作出決定
10:21
It has to decide決定 whether是否 to turn around
236
606000
2000
它要決定回頭
10:23
and stay in the same相同 odor氣味,
237
608000
2000
留在同一種氣味中
10:25
or whether是否 to cross交叉 the midline中線
238
610000
2000
又或者跨過中線
10:27
and try something new.
239
612000
2000
嘗試新事物
10:29
These decisions決定 are clearly明確地 a reflection反射
240
614000
3000
這顯然是一個
10:32
of the Actor's演員的 policy政策.
241
617000
3000
「行者」政策的反映
10:36
Now for an intelligent智能 being存在 like our fly,
242
621000
3000
以我們的果蠅,這樣有智慧的生物來說
10:39
this policy政策 is not written書面 in stone
243
624000
3000
這個政策並非刻在石板上永遠不變的
10:42
but rather changes變化 as the animal動物 learns獲悉 from experience經驗.
244
627000
3000
它會根據生物的經驗而轉變
10:45
We can incorporate合併 such這樣 an element元件
245
630000
2000
我們可以將這一個
10:47
of adaptive自適應 intelligence情報 into our model模型
246
632000
3000
有關適應的智能元素加進我們的模型裏
10:50
by assuming假設 that the fly's飛的 brain
247
635000
2000
我們要假設果蠅的腦裏
10:52
contains包含 not only an Actor演員,
248
637000
2000
不只有「行者」
10:54
but a different不同 group of cells細胞,
249
639000
2000
也有不同組合的細胞
10:56
a "Critic評論家," that provides提供 a running賽跑 commentary評論
250
641000
3000
包括一個「批評家」,不斷地
10:59
on the Actor's演員的 choices選擇.
251
644000
2000
為「行者」的決定提出意見
11:01
You can think of this nagging嘮叨 inner voice語音
252
646000
3000
你可以想像成是種嘮叨的內在聲音
11:04
as sort分類 of the brain's大腦的 equivalent當量
253
649000
2000
就把它當成是腦裏的
11:06
of the Catholic天主教徒 Church教會,
254
651000
2000
天主教教會吧
11:08
if you're an Austrian like me,
255
653000
3000
如果你跟我一樣是奧地利人
11:11
or the super-ego超我, if you're Freudian弗洛伊德,
256
656000
3000
或可以把它當成佛洛依德所說的「超我」
11:14
or your mother母親, if you're Jewish猶太.
257
659000
2000
或你是猶太人,可以把它當成「母親大人」
11:16
(Laughter笑聲)
258
661000
4000
(笑聲)
11:20
Now obviously明顯,
259
665000
2000
現在,明顯的
11:22
the Critic評論家 is a key ingredient成分
260
667000
3000
「批評家」在我們的智力系統中
11:25
in what makes品牌 us intelligent智能.
261
670000
2000
是一個重要的組成部分
11:27
So we set out to identify鑑定
262
672000
2000
所以,我們希望可以確認
11:29
the cells細胞 in the fly's飛的 brain
263
674000
2000
這些細胞在果蠅的腦部
11:31
that played發揮 the role角色 of the Critic評論家.
264
676000
2000
扮演著「批評家」的角色
11:33
And the logic邏輯 of our experiment實驗 was simple簡單.
265
678000
3000
我們實驗的邏輯不太花巧
11:36
We thought if we could use our optical光纖 remote遠程 control控制
266
681000
3000
我們的假設是: 若我們能夠無線遙控
11:39
to activate啟用 the cells細胞 of the Critic評論家,
267
684000
3000
驅動「批評家」的細胞
11:42
we should be able能夠, artificially人為, to nag嘮叨 the Actor演員
268
687000
3000
我們應該可以,人工地,不斷煩擾「行者」
11:45
into changing改變 its policy政策.
269
690000
2000
使它改變它的政策
11:47
In other words,
270
692000
2000
換句話說
11:49
the fly should learn學習 from mistakes錯誤
271
694000
2000
那這飛蠅應該能夠從錯誤中學習
11:51
that it thought it had made製作
272
696000
2000
它們會認為自己做錯了決定
11:53
but, in reality現實, it had not made製作.
273
698000
3000
即使它們其實沒有
11:56
So we bred孕育 flies蒼蠅
274
701000
2000
我們培植了一些果蠅
11:58
whose誰的 brains大腦 were more or less randomly隨機 peppered接二連三
275
703000
3000
它們的腦部被隨機地安置了
12:01
with cells細胞 that were light addressable尋址.
276
706000
2000
一些可以光驅動的細胞
12:03
And then we took these flies蒼蠅
277
708000
2000
我們拿出這些果蠅
12:05
and allowed允許 them to make choices選擇.
278
710000
2000
給予它們決策的機會
12:07
And whenever每當 they made製作 one of the two choices選擇,
279
712000
2000
每當它們作出兩選一的決定時
12:09
chose選擇 one odor氣味,
280
714000
2000
選到一種氣味
12:11
in this case案件 the blue藍色 one over the orange橙子 one,
281
716000
2000
在這個情況中,它選了藍色而非橙色的那種
12:13
we switched交換的 on the lights燈火.
282
718000
2000
我們就亮燈
12:15
If the Critic評論家 was among其中 the optically光學 activated活性 cells細胞,
283
720000
3000
如果「批評家」在光驅動細胞中
12:18
the result結果 of this intervention介入
284
723000
2000
這種干擾的結果是
12:20
should be a change更改 in policy政策.
285
725000
3000
果蠅會改變它的政策
12:23
The fly should learn學習 to avoid避免
286
728000
2000
這果蠅會學習避免
12:25
the optically光學 reinforced加強 odor氣味.
287
730000
2000
那種受光學加強的氣味
12:27
Here's這裡的 what happened發生 in two instances實例:
288
732000
3000
這裏有兩個不同情況
12:30
We're comparing比較 two strains of flies蒼蠅,
289
735000
3000
我們比較兩個品種的果蠅
12:33
each of them having
290
738000
2000
它們的腦部分別擁有
12:35
about 100 light-addressable光尋址 cells細胞 in their brains大腦,
291
740000
2000
大概一百個可光驅動的細胞
12:37
shown顯示 here in green綠色 on the left and on the right.
292
742000
3000
在這裏以綠色來顯示
12:40
What's common共同 among其中 these groups of cells細胞
293
745000
3000
兩組細胞的相同之處
12:43
is that they all produce生產 the neurotransmitter神經遞質 dopamine多巴胺.
294
748000
3000
在於它們都會製造神經遞質多巴胺
12:46
But the identities身份 of the individual個人
295
751000
2000
但是製造多巴胺細胞
12:48
dopamine-producing多巴胺產生 neurons神經元
296
753000
2000
的分佈
12:50
are clearly明確地 largely大部分 different不同 on the left and on the right.
297
755000
3000
在左右兩邊的腦部中,顯然在不同的位置
12:53
Optically光學 activating激活
298
758000
2000
光學驅動的
12:55
these hundred or so cells細胞
299
760000
2000
大概一百多個細胞
12:57
into two strains of flies蒼蠅
300
762000
2000
在兩個不同品種的果蠅裏
12:59
has dramatically顯著 different不同 consequences後果.
301
764000
2000
發揮著戲劇性的不同效果
13:01
If you look first at the behavior行為
302
766000
2000
如果你先看它們的行為
13:03
of the fly on the right,
303
768000
2000
右邊的果蠅
13:05
you can see that whenever每當 it reaches到達 the midpoint中點 of the chamber
304
770000
3000
你可以看到,當它到達室的中心點
13:08
where the two odors氣味 meet遇到,
305
773000
2000
兩種氣味的交匯處
13:10
it marches遊行 straight直行 through通過, as it did before.
306
775000
3000
它會一直走過去,就像從前一樣
13:13
Its behavior行為 is completely全然 unchanged不變.
307
778000
2000
它的行為完全沒有受光學驅動的細胞影響
13:15
But the behavior行為 of the fly on the left is very different不同.
308
780000
3000
但是另一邊廂的果蠅,情況就大不同了
13:18
Whenever每當 it comes up to the midpoint中點,
309
783000
3000
每當它來到中心點
13:21
it pauses暫停,
310
786000
2000
它會停下
13:23
it carefully小心 scans掃描 the odor氣味 interface接口
311
788000
2000
謹慎地審視氣味的接合點
13:25
as if it was sniffing嗅探 out its environment環境,
312
790000
2000
就好像要打探周遭的環境
13:27
and then it turns around.
313
792000
2000
然後它會回頭
13:29
This means手段 that the policy政策 that the Actor演員 implements器物
314
794000
3000
這證明「行者」實施的那種政策
13:32
now includes包括 an instruction指令 to avoid避免 the odor氣味
315
797000
2000
包括躲開另一端的氣味
13:34
that's in the right half of the chamber.
316
799000
3000
該種氣味是從右邊室散發過來的
13:37
This means手段 that the Critic評論家
317
802000
2000
這說明「批評家」
13:39
must必須 have spoken in that animal動物,
318
804000
2000
對果蠅說: 不要跨過去
13:41
and that the Critic評論家 must必須 be contained
319
806000
2000
這說明在左邊的果蠅中,「批評家」
13:43
among其中 the dopamine-producing多巴胺產生 neurons神經元 on the left,
320
808000
3000
藏身在那些能夠製造多巴胺的細胞裏
13:46
but not among其中 the dopamine多巴胺 producing生產 neurons神經元 on the right.
321
811000
3000
但不存在於(能製造多巴胺的細胞)右邊的果蠅中
13:49
Through通過 many許多 such這樣 experiments實驗,
322
814000
3000
透過很多這樣的實驗
13:52
we were able能夠 to narrow狹窄 down
323
817000
2000
我們能夠縮窄
13:54
the identity身分 of the Critic評論家
324
819000
2000
「批評家」的位置及身分
13:56
to just 12 cells細胞.
325
821000
2000
到只有十二個細胞
13:58
These 12 cells細胞, as shown顯示 here in green綠色,
326
823000
3000
這十二個細胞,綠色部分
14:01
send發送 the output產量 to a brain structure結構體
327
826000
2000
它們對一個腦結構發出訊號
14:03
called the "mushroom蘑菇 body身體,"
328
828000
2000
它叫做「蘑菇體」
14:05
which哪一個 is shown顯示 here in gray灰色.
329
830000
2000
在這裏我以灰色呈現出來
14:07
We know from our formal正式 model模型
330
832000
2000
我們從模型中知道
14:09
that the brain structure結構體
331
834000
2000
那個在「批評家」末端
14:11
at the receiving接收 end結束 of the Critic's評論家 commentary評論 is the Actor演員.
332
836000
3000
接收著批評的腦結構,就是「行者」
14:14
So this anatomy解剖學 suggests提示
333
839000
2000
這個結構提出
14:16
that the mushroom蘑菇 bodies身體 have something to do
334
841000
3000
蘑菇體對於「行者」的決策
14:19
with action行動 choice選擇.
335
844000
2000
起著一定的作用
14:21
Based基於 on everything we know about the mushroom蘑菇 bodies身體,
336
846000
2000
對於我們對蘑菇體的了解
14:23
this makes品牌 perfect完善 sense.
337
848000
2000
這是完全能夠想像的
14:25
In fact事實, it makes品牌 so much sense
338
850000
2000
事實上,這非常合理
14:27
that we can construct構造 an electronic電子 toy玩具 circuit電路
339
852000
3000
令我們能夠建構一個電子玩具線路
14:30
that simulates可模擬 the behavior行為 of the fly.
340
855000
3000
用以模擬果蠅的行為
14:33
In this electronic電子 toy玩具 circuit電路,
341
858000
3000
這個電子玩具線路中
14:36
the mushroom蘑菇 body身體 neurons神經元 are symbolized象徵
342
861000
2000
蘑菇體的細胞以
14:38
by the vertical垂直 bank銀行 of blue藍色 LEDs發光二極管
343
863000
3000
排成直線的藍色LED(發光二極體)來表示
14:41
in the center中央 of the board.
344
866000
3000
於線路的正中心
14:44
These LED'sLED的 are wired有線 to sensors傳感器
345
869000
2000
這些LED有接上感應器
14:46
that detect檢測 the presence存在 of odorous芳香 molecules分子 in the air空氣.
346
871000
3000
用以探測空氣中的氣味分子
14:50
Each odor氣味 activates激活 a different不同 combination組合 of sensors傳感器,
347
875000
3000
不同的氣味都會驅動不同組合的感應器
14:53
which哪一個 in turn activates激活
348
878000
2000
再驅動
14:55
a different不同 odor氣味 detector探測器 in the mushroom蘑菇 body身體.
349
880000
3000
蘑菇體中不同的氣味檢測器
14:58
So the pilot飛行員 in the cockpit座艙 of the fly,
350
883000
2000
所以在果蠅駕駛室中的飛行員
15:00
the Actor演員,
351
885000
2000
「行者」
15:02
can tell which哪一個 odor氣味 is present當下
352
887000
2000
可以知道哪一種氣味存在
15:04
simply只是 by looking at which哪一個 of the blue藍色 LEDs發光二極管 lights燈火 up.
353
889000
4000
只要看看哪顆藍色LED燈亮起來就行了
15:09
What the Actor演員 does with this information信息
354
894000
2000
「行者」得到這個訊息後
15:11
depends依靠 on its policy政策,
355
896000
2000
視乎它的政策
15:13
which哪一個 is stored存儲 in the strengths優勢 of the connection連接,
356
898000
2000
這些政策都以關聯的強度來儲存
15:15
between之間 the odor氣味 detectors探測器
357
900000
2000
於氣味檢測器
15:17
and the motors馬達
358
902000
2000
與運動神經之間
15:19
that power功率 the fly's飛的 evasive逃避的 actions行動.
359
904000
2000
這驅動了果蠅的逃亡行為
15:22
If the connection連接 is weak, the motors馬達 will stay off
360
907000
2000
如果關聯性弱,運動神經會保持關上
15:24
and the fly will continue繼續 straight直行 on its course課程.
361
909000
3000
那果蠅會繼續往那氣味進發
15:27
If the connection連接 is strong強大, the motors馬達 will turn on
362
912000
3000
如果關聯性強,運動神經會啟動
15:30
and the fly will initiate發起 a turn.
363
915000
3000
那果蠅會轉身
15:33
Now consider考慮 a situation情況
364
918000
2000
現在有一個情況
15:35
in which哪一個 the motors馬達 stay off,
365
920000
2000
就是當運動神經保持關上
15:37
the fly continues繼續 on its path路徑
366
922000
3000
那果蠅繼續前行
15:40
and it suffers患有 some painful痛苦 consequence後果
367
925000
2000
接著,它遭受一些痛苦的後果
15:42
such這樣 as getting得到 zapped輪迴一圈.
368
927000
2000
例如遭電擊
15:44
In a situation情況 like this,
369
929000
2000
在這樣的情況下
15:46
we would expect期望 the Critic評論家 to speak說話 up
370
931000
2000
我們可以預期「批評家」會發聲
15:48
and to tell the Actor演員
371
933000
2000
並告訴「行者」
15:50
to change更改 its policy政策.
372
935000
2000
要改變它的政策
15:52
We have created創建 such這樣 a situation情況, artificially人為,
373
937000
3000
我們人工地製造這樣的一個情境
15:55
by turning車削 on the critic評論家 with a flash of light.
374
940000
3000
以一束光啟動「批評家」
15:58
That caused造成 a strengthening強化 of the connections連接
375
943000
3000
這樣就可以加強
16:01
between之間 the currently目前 active活性 odor氣味 detector探測器
376
946000
3000
正在起作用的氣味檢測細胞
16:04
and the motors馬達.
377
949000
2000
與運動神經之間的關聯
16:06
So the next下一個 time
378
951000
2000
所以,下一次
16:08
the fly finds認定 itself本身 facing面對 the same相同 odor氣味 again,
379
953000
3000
當果蠅再面對同樣的氣味時
16:11
the connection連接 is strong強大 enough足夠 to turn on the motors馬達
380
956000
3000
關聯性將會有足夠的強度去啟動運動神經
16:14
and to trigger觸發 an evasive逃避的 maneuver演習.
381
959000
3000
以及引發一個迴避策略
16:19
I don't know about you,
382
964000
3000
不知道各位覺得如何
16:22
but I find it exhilarating令人振奮 to see
383
967000
3000
但我覺得這樣的實驗很令人興奮
16:25
how vague模糊 psychological心理 notions概念
384
970000
3000
虛無的心理學概念
16:28
evaporate蒸發 and give rise上升
385
973000
2000
揮發並引出
16:30
to a physical物理, mechanistic機械 understanding理解 of the mind心神,
386
975000
3000
一個對思維方式在物理學上、機能上的理解
16:33
even if it's the mind心神 of the fly.
387
978000
3000
雖然這只是發生在果蠅的腦部
16:36
This is one piece of good news新聞.
388
981000
3000
這是一個好消息
16:39
The other piece of good news新聞,
389
984000
2000
另一個好消息
16:41
for a scientist科學家 at least最小,
390
986000
2000
至少是對於一個科學家來說
16:43
is that much remains遺跡 to be discovered發現.
391
988000
3000
就是世界上還有很多尚待發掘的東西
16:46
In the experiments實驗 I told you about,
392
991000
2000
在我告訴你的實驗裏
16:48
we have lifted取消 the identity身分 of the Critic評論家,
393
993000
3000
我們發掘出「批評家」的真正身分
16:51
but we still have no idea理念
394
996000
2000
但是我們還不知道
16:53
how the Critic評論家 does its job工作.
395
998000
2000
「批評家」怎樣完成它的工作
16:55
Come to think of it, knowing會心 when you're wrong錯誤
396
1000000
2000
試想,在沒有老師或母親告訴你的情況下
16:57
without a teacher老師, or your mother母親, telling告訴 you,
397
1002000
3000
要知道你自己犯錯
17:00
is a very hard problem問題.
398
1005000
2000
是一件不容易的事
17:02
There are some ideas思路 in computer電腦 science科學
399
1007000
2000
電腦科學以及
17:04
and in artificial人造 intelligence情報
400
1009000
2000
人工智能的領域上有一些想法
17:06
as to how this might威力 be doneDONE,
401
1011000
2000
就是要想出這件事怎樣可以發生
17:08
but we still haven't沒有 solved解決了
402
1013000
2000
但是我們還沒有解決
17:10
a single example
403
1015000
2000
任何這樣的一個難題
17:12
of how intelligent智能 behavior行為
404
1017000
3000
為甚麼在生物中
17:15
springs彈簧 from the physical物理 interactions互動
405
1020000
2000
智慧會在物理層面的
17:17
in living活的 matter.
406
1022000
2000
互動中形成
17:19
I think we'll get there in the not too distant遙遠 future未來.
407
1024000
3000
我想,在不久的將來我們會找到答案
17:22
Thank you.
408
1027000
2000
謝謝
17:24
(Applause掌聲)
409
1029000
4000
(掌聲)
Translated by Jonas Lau
Reviewed by Adrienne Lin

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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.

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