I have a doppelganger. (Laughter) Dr. Gero is a brilliant but slightly mad scientist in the "Dragonball Z: Android Saga." If you look very carefully, you see that his skull has been replaced with a transparent Plexiglas dome so that the workings of his brain can be observed and also controlled with light. That's exactly what I do -- optical mind control.
ここに私のドッペルゲンガーがいます (笑) ドクター・ゲロは 素晴らしくも 少し狂気じみた科学者です ドラゴンボールZの 人造人間編に登場します よく見てみると 彼の頭がい骨は アクリルガラスのドームに 付け替えられています こうすることで脳の働きが 観察できますし 光でコントロール することもできます まさしくこれが 私がやっていること… 光でマインドコントロール することです
(Laughter)
(笑)
But in contrast to my evil twin who lusts after world domination, my motives are not sinister. I control the brain in order to understand how it works. Now wait a minute, you may say, how can you go straight to controlling the brain without understanding it first? Isn't that putting the cart before the horse? Many neuroscientists agree with this view and think that understanding will come from more detailed observation and analysis. They say, "If we could record the activity of our neurons, we would understand the brain." But think for a moment what that means. Even if we could measure what every cell is doing at all times, we would still have to make sense of the recorded activity patterns, and that's so difficult, chances are we'll understand these patterns just as little as the brains that produce them.
しかし世界征服を望む この双子の兄と違って 私の野望は 邪悪なものではありません 脳をコントロール することによって どのように働くかを 理解するのです ちょっと待てよと 思うかもしれません 理解することもしないで どのようにコントロールするのか? 荷台を馬の前に付ける ようなものではないか? 多くの神経学者は その考え方に賛成しており 理解するためには 詳細な観察と分析が 必要と考えています 彼らは「もしニューロンの 活動を記録できれば 脳を理解できるだろう」 と言っています しかし その意味を 少し考えてください もし全ての細胞が 何をしているかを常に 計測できたとしても その活動パターンが 何であるかを 解釈しなければならない それはとても難しく パターンを理解できたとしても 私たちの脳への理解と同じくらい わずかなものでしょう
Take a look at what brain activity might look like. In this simulation, each black dot is one nerve cell. The dot is visible whenever a cell fires an electrical impulse. There's 10,000 neurons here. So you're looking at roughly one percent of the brain of a cockroach. Your brains are about 100 million times more complicated. Somewhere, in a pattern like this, is you, your perceptions, your emotions, your memories, your plans for the future. But we don't know where, since we don't know how to read the pattern. We don't understand the code used by the brain. To make progress, we need to break the code. But how? An experienced code-breaker will tell you that in order to figure out what the symbols in a code mean, it's essential to be able to play with them, to rearrange them at will. So in this situation too, to decode the information contained in patterns like this, watching alone won't do. We need to rearrange the pattern. In other words, instead of recording the activity of neurons, we need to control it. It's not essential that we can control the activity of all neurons in the brain, just some. The more targeted our interventions, the better. And I'll show you in a moment how we can achieve the necessary precision.
脳の活動がどんなものか ご覧に入れましょう このシミュレーションでは 一つの黒い点が 一つの神経細胞です 細胞が電気信号を 発生させると 点が現れます ここには1万個の ニューロンがあります それは ゴキブリの脳の 大体1%くらいです 皆さんの脳は これの約1億倍 複雑です このようなパターンは 皆さんにも言えることです 皆さんの知覚だったり 感情 記憶 将来の展望は こういうパターンなのです しかしパターンの解読方法を 知らないがために これらが保存されている場所を 私たちは知りません 脳が使っている暗号を 私たちは知りません 理解を進めるためには 暗号を解読しなければ なりません どうやってか? 暗号解読のエキスパートは こう言います 暗号の中の記号の意味を 解明するためには それらを使ってみて 組み直すことが大切だと ここでも同じことが言えます このようなパターンに 隠されている 情報を解読するためには 見ているだけではだめで 組み直さなければいけない 別の言葉で言うと ニューロンの活動を 記録する代わりに 制御しなければならない 必ずしも全てのニューロンを 制御する必要はない 少しでいい ターゲットはできるだけ 絞ったほうがいいです これからお見せするのは どのように必要な精度を 得られるのかです
And since I'm realistic, rather than grandiose, I don't claim that the ability to control the function of the nervous system will at once unravel all its mysteries. But we'll certainly learn a lot. Now, I'm by no means the first person to realize how powerful a tool intervention is. The history of attempts to tinker with the function of the nervous system is long and illustrious. It dates back at least 200 years, to Galvani's famous experiments in the late 18th century and beyond. Galvani showed that a frog's legs twitched when he connected the lumbar nerve to a source of electrical current. This experiment revealed the first, and perhaps most fundamental, nugget of the neural code: that information is written in the form of electrical impulses. Galvani's approach of probing the nervous system with electrodes has remained state-of-the-art until today, despite a number of drawbacks. Sticking wires into the brain is obviously rather crude. It's hard to do in animals that run around, and there is a physical limit to the number of wires that can be inserted simultaneously.
私は壮大なことより 現実的なことを好むので 神経系統を制御することで 瞬く間に 全ての謎が明らかになるとは 言いません それでも私たちは 多くを学ぶことができます 介入が強力な道具だと 気づいたのは 介入が強力な道具だと 気づいたのは もちろん私が 最初ではありません 神経系の機能に対する さまざまな試みの歴史は長く 多くの成果がありました 少なくとも200年遡れ ガルバーニの有名な実験は 18世紀末で それ以前にも遡ります ガルバーニは 蛙の腰神経を 電極につなげることで 脚がピクッと動くことを 示しました この実験は最初で もっとも基本的な 神経コードの大事な部分 情報は電気パルスの形を しているということを 明らかにしました ガルバーニのとった方法 電極で神経系を 探索しようとする方法は 様々な欠点が あるにもかかわらず 今日でも先端をいっています 導線を脳に刺入するのは どう見ても荒っぽく 動き回る動物では 困難ですし 同時に刺入できる 導線の数も 限られてきます
So around the turn of the last century, I started to think, "Wouldn't it be wonderful if one could take this logic and turn it upside down?" So instead of inserting a wire into one spot of the brain, re-engineer the brain itself so that some of its neural elements become responsive to diffusely broadcast signals such as a flash of light. Such an approach would literally, in a flash of light, overcome many of the obstacles to discovery. First, it's clearly a non-invasive, wireless form of communication. And second, just as in a radio broadcast, you can communicate with many receivers at once. You don't need to know where these receivers are, and it doesn't matter if these receivers move -- just think of the stereo in your car. It gets even better, for it turns out that we can fabricate the receivers out of materials that are encoded in DNA. So each nerve cell with the right genetic makeup will spontaneously produce a receiver that allows us to control its function. I hope you'll appreciate the beautiful simplicity of this concept. There's no high-tech gizmos here, just biology revealed through biology.
20世紀も終わりのころ 私はこう考えました もしこのロジックを 逆にしてみたら どうだろうと 脳の一部にワイヤを 挿す代わりに 脳自体を作り替えてしまい 神経細胞の一部が 広範に照射された 閃光刺激を受けたときに 反応するようにしたら この試みはまさしく 瞬く間に 様々な障害を 取り払ってくれました 一つ目は ワイヤがないために 脳にとって非侵襲的なこと 二つ目は ラジオ放送のように 一度に多くのものと コミュニケーションができること どこに受信者がいるか 分からなくても大丈夫です そして 受信者が動いても大丈夫 ちょうど車のステレオと 同じように さらなる長所として DNAに暗号化して 受信機を作れることが 明らかになりました つまり 適切な遺伝子構成を持つ 神経細胞が 受信機を自発的に生成し こちらで制御できる ようになるのです この方法の見事なまでの シンプルさを 理解していただけたら 幸いです ハイテクな機械は 何もありません 生物学的機能が 生物学で明らかになっただけです
Now let's take a look at these miraculous receivers up close. As we zoom in on one of these purple neurons, we see that its outer membrane is studded with microscopic pores. Pores like these conduct electrical current and are responsible for all the communication in the nervous system. But these pores here are special. They are coupled to light receptors similar to the ones in your eyes. Whenever a flash of light hits the receptor, the pore opens, an electrical current is switched on, and the neuron fires electrical impulses. Because the light-activated pore is encoded in DNA, we can achieve incredible precision. This is because, although each cell in our bodies contains the same set of genes, different mixes of genes get turned on and off in different cells. You can exploit this to make sure that only some neurons contain our light-activated pore and others don't. So in this cartoon, the bluish white cell in the upper-left corner does not respond to light because it lacks the light-activated pore. The approach works so well that we can write purely artificial messages directly to the brain. In this example, each electrical impulse, each deflection on the trace, is caused by a brief pulse of light. And the approach, of course, also works in moving, behaving animals.
それでは この奇跡的な受信機を 間近で見てみましょう これらの紫色のニューロンに 近づいていくと 細胞膜に微小な孔が 点在するのが見えます このような孔が電流を流し 神経系統の 全てのコミュニケーションの 基礎となっています しかし これらの孔は 特別なものです これらは 皆さんの 目にあるような 光の受容体と 対になっていて 光が受容体に当たると 孔が開き電流が生じ ニューロンが 電気信号を発信します 光で活性化する小孔は DNAに書き込まれているため 信じがたい精度を 達成できます なぜなら 私たちの体の各細胞は 同じ遺伝子を 持っていますが 細胞によって 活性化している 遺伝子が違います これを利用して あるニューロンだけが 光で活性化する小孔を持ち 他のものは持たない ようにできます この絵では 左上の青みがかった 白い細胞は 光に反応しません なぜなら光で活性化する 小孔が欠如しているからです この方法はとてもうまくいき 直接脳に人工的な メッセージを 書き込むこともできます この例では 波形の振れとして見られる 電気信号は 短時間の光照射により 引き起こされました この方法は 動いたり 行動している動物にも 使えます
This is the first ever such experiment, sort of the optical equivalent of Galvani's. It was done six or seven years ago by my then graduate student, Susana Lima. Susana had engineered the fruit fly on the left so that just two out of the 200,000 cells in its brain expressed the light-activated pore. You're familiar with these cells because they are the ones that frustrate you when you try to swat the fly. They trained the escape reflex that makes the fly jump into the air and fly away whenever you move your hand in position. And you can see here that the flash of light has exactly the same effect. The animal jumps, it spreads its wings, it vibrates them, but it can't actually take off because the fly is sandwiched between two glass plates. Now to make sure that this was no reaction of the fly to a flash it could see, Susana did a simple but brutally effective experiment. She cut the heads off of her flies. These headless bodies can live for about a day, but they don't do much. They just stand around and groom excessively. So it seems that the only trait that survives decapitation is vanity. (Laughter) Anyway, as you'll see in a moment, Susana was able to turn on the flight motor of what's the equivalent of the spinal cord of these flies and get some of the headless bodies to actually take off and fly away. They didn't get very far, obviously. Since we took these first steps, the field of optogenetics has exploded. And there are now hundreds of labs using these approaches.
これは ある意味 ガルバーニの実験を 光で行った 最初の実験といえます これは 6 、7年前に 私のところの大学院生だった スザーナ・リマによって 行われました スザーナは左側の ショウジョウバエの脳を 20万個の細胞のうち 2個だけが光に反応するように 遺伝子操作で 作り替えました その細胞というのは 叩こうとしたときに イライラさせられる 原因となっているもので 私たちが身構えたときに ハエの反射運動を引き起こし 飛び去ってしまうように 仕向けているのです この実験では 閃光が 同じ現象を引き起こしています 飛び跳ね 羽を広げ ふるわせていますが ガラスの板に 挟まれているために 実際には飛び立てません ハエが光を見ているために この現象が起きているのではないと 証明するために スザーナはシンプルですが 容赦なく効果的な 実験手段をとりました ハエの頭を 落としてしまうのです 頭がない状態でも およそ1日は生きることができます 大したことは できませんが ただ動き回って 過剰に身繕いをします 頭をなくした後に残るのは “見栄” だけのようです (笑) いずれにせよ お見せするとおり スザーナは ハエで 脊髄神経に相当する神経から 飛行を司っている部分を 制御することに成功し 頭がないハエを実際に 飛ばしてみせたのです 遠くに行けないのは 当然ですが 最初の一歩を 私たちが始めたことにより 光遺伝学の分野が 急成長しました 今では数百の研究所が この実験方法を 採用しています
And we've come a long way since Galvani's and Susana's first successes in making animals twitch or jump. We can now actually interfere with their psychology in rather profound ways, as I'll show you in my last example, which is directed at a familiar question. Life is a string of choices creating a constant pressure to decide what to do next. We cope with this pressure by having brains, and within our brains, decision-making centers that I've called here the "Actor." The Actor implements a policy that takes into account the state of the environment and the context in which we operate. Our actions change the environment, or context, and these changes are then fed back into the decision loop.
ガルバーニやスザーナが 動物の筋収縮や飛行などの 最初の成功を収めてから 長い道を歩んできました 今や動物の心理に 本質的なやり方で 干渉することができます この最後の例で お見せするのは よく耳にする問いに 向けたものです 「人生とは選択の連鎖であり 次に何をすべきか決めることを 絶えず求められる」 私たちはこういったプレッシャーに対して 脳を使って対処します この脳の中で決定の 鍵を握るところを 私は「アクター(俳優)」と 呼んでいます アクターはその時に私たちが 置かれている状況や 環境を基にして 一つの方針を設定します 自分の行動が 環境や状況を変えて さらにそれらがフィードバックされ 新しい決断をするというループができます
Now to put some neurobiological meat on this abstract model, we constructed a simple one-dimensional world for our favorite subject, fruit flies. Each chamber in these two vertical stacks contains one fly. The left and the right halves of the chamber are filled with two different odors, and a security camera watches as the flies pace up and down between them. Here's some such CCTV footage. Whenever a fly reaches the midpoint of the chamber where the two odor streams meet, it has to make a decision. It has to decide whether to turn around and stay in the same odor, or whether to cross the midline and try something new. These decisions are clearly a reflection of the Actor's policy. Now for an intelligent being like our fly, this policy is not written in stone but rather changes as the animal learns from experience. We can incorporate such an element of adaptive intelligence into our model by assuming that the fly's brain contains not only an Actor, but a different group of cells, a "Critic," that provides a running commentary on the Actor's choices. You can think of this nagging inner voice as sort of the brain's equivalent of the Catholic Church, if you're an Austrian like me, or the super-ego, if you're Freudian, or your mother, if you're Jewish.
この神経生物学の議論を 抽象的なモデルに 当てはめてみましょう 私たちお得意の ショウジョウバエを使い 一次元の世界を作ってみました この垂直に重ねられた 二列のケースそれぞれには 一匹ずつハエが入っています それぞれの部屋の 右半分と左半分は それぞれ別の匂いで 満たされています そしてハエが 行ったり来たりするのを 監視カメラが見ています これが監視カメラが とらえた映像です ハエは部屋の 真ん中に来たとき 違う匂いの狭間で 決断をしなければなりません 向きを変えて 今来た道を戻り 同じ匂いに留まるか 真ん中を越えて 新しいものを試みるか この決定はアクターが 作り出した 行動方針に従います このハエのような 知的生物の行動方針は 確定したものではなく 経験から学習することで 変化していくものです この適応性を 私たちのモデルに 取り入れるために アクターとは異なる 細胞のグループである 「評論家」が脳内に存在し アクターがした選択に対し 意見するものと 仮定します 途絶えることのない この内なる声は 皆さんが私と同じ オーストリア人であれば 脳内のカトリック教会として 考えるといいでしょう フロイト派であれば 超自我として
(Laughter)
ユダヤ人であれば お母さんだと考えてください
Now obviously, the Critic is a key ingredient in what makes us intelligent. So we set out to identify the cells in the fly's brain that played the role of the Critic. And the logic of our experiment was simple. We thought if we could use our optical remote control to activate the cells of the Critic, we should be able, artificially, to nag the Actor into changing its policy. In other words, the fly should learn from mistakes that it thought it had made but, in reality, it had not made. So we bred flies whose brains were more or less randomly peppered with cells that were light addressable. And then we took these flies and allowed them to make choices. And whenever they made one of the two choices, chose one odor, in this case the blue one over the orange one, we switched on the lights. If the Critic was among the optically activated cells, the result of this intervention should be a change in policy. The fly should learn to avoid the optically reinforced odor.
(笑) 「評論家」が 私たちの知性の鍵と なっていることは 明らかです そこで私たちは ハエの脳の中で 「評論家」の役目を 果たしている細胞を 特定しようとしました 実験方法は単純です 光で「評論家」の細胞を 遠隔制御して 活性化させることができれば 人為的にアクターの 行動方針を変えることが できるはずと 考えたのです 言い換えると ハエは自分がしたと思う 間違いから 学習するはずですが 実際には間違いを 経験していないのです 私たちは 光で制御できる細胞を 脳に不規則にちりばめた ハエを育てました これらのハエを使い 選択をさせました 2つの選択肢から1つ どちらかの匂いを選ぶと このケースでは オレンジ色でなく 青色の方を選ぶと 光がつきます 光で活性化する細胞の中に 「評論家」が含まれていれば この介入によって 行動方針が変わるはずです ハエは 光で刺激を 受けた方の匂いを 避けるはずです
Here's what happened in two instances: We're comparing two strains of flies, each of them having about 100 light-addressable cells in their brains, shown here in green on the left and on the right. What's common among these groups of cells is that they all produce the neurotransmitter dopamine. But the identities of the individual dopamine-producing neurons are clearly largely different on the left and on the right. Optically activating these hundred or so cells into two strains of flies has dramatically different consequences. If you look first at the behavior of the fly on the right, you can see that whenever it reaches the midpoint of the chamber where the two odors meet, it marches straight through, as it did before. Its behavior is completely unchanged. But the behavior of the fly on the left is very different. Whenever it comes up to the midpoint, it pauses, it carefully scans the odor interface as if it was sniffing out its environment, and then it turns around. This means that the policy that the Actor implements now includes an instruction to avoid the odor that's in the right half of the chamber. This means that the Critic must have spoken in that animal, and that the Critic must be contained among the dopamine-producing neurons on the left, but not among the dopamine producing neurons on the right.
例を2つ紹介します 2系統のハエを比べています いずれも 光で制御できる細胞が およそ100個脳内にあります 左右の 緑色に 見える部分です これらの細胞に 共通しているのは いずれも神経伝達物質 ドーパミンを生成することです しかしドーパミンを生成する ニューロンがどれかは 右と左で 明らかに 大きく異なります 光でこれら100個かそこらの 細胞を活性化することで 2系統のハエの間には 劇的な違いが生じます 右側のハエの行動を 最初に見ると ハエが部屋の真ん中 二つの匂いが混じっているところに たどり着くと 今までと同じように まっすぐ進みます 行動は全く変わりません しかし 左側のハエは 全く違う行動をとります 真ん中までくると 立ち止まり あたかも周りの環境を 探ろうとするかのように 綿密に匂いを分析し そして逆戻りします これらの結果は アクターが作った行動方針が 部屋の右半分に 満たされている匂いを 避けるように 仕向けているからです 左側のハエでは「評論家」が 機能しており 左のドーパミンを生成する ニューロンには 「評論家」が含まれている はずですが 右側のドーパミンを生成するニューロンには 含まれていないということです
Through many such experiments, we were able to narrow down the identity of the Critic to just 12 cells. These 12 cells, as shown here in green, send the output to a brain structure called the "mushroom body," which is shown here in gray. We know from our formal model that the brain structure at the receiving end of the Critic's commentary is the Actor. So this anatomy suggests that the mushroom bodies have something to do with action choice. Based on everything we know about the mushroom bodies, this makes perfect sense. In fact, it makes so much sense that we can construct an electronic toy circuit that simulates the behavior of the fly. In this electronic toy circuit, the mushroom body neurons are symbolized by the vertical bank of blue LEDs in the center of the board. These LED's are wired to sensors that detect the presence of odorous molecules in the air. Each odor activates a different combination of sensors, which in turn activates a different odor detector in the mushroom body. So the pilot in the cockpit of the fly, the Actor, can tell which odor is present simply by looking at which of the blue LEDs lights up.
幾多のこのような実験を繰り返し 「評論家」の所在を 12個の細胞までに 絞り込みました これらの緑色で示した 12個の細胞は 出力情報を脳構造の キノコ体と呼ばれるところ この灰色のところに送ります 理論的なモデルから 脳構造の中で 「評論家」の出力を受けるのは アクターと分かっているので この分析が示しているのは キノコ体は行動の 選択に何かしら 関係があるということです キノコ体について 分かっていることを考えると 完全に筋が通ります 実際 あまりにも綺麗に 筋が通っているので ハエの行動を 模倣する おもちゃの電気回路を 作ることができます この電気回路で キノコ体のニューロンは 中央に縦に並んだ 青色LEDで 表されています これらのLEDは センサーにつながっており 空気中の匂い分子の 存在を感知します それぞれの匂いは それぞれ違う センサーの組み合わせを活性化させ それはキノコ体の中の それぞれ異なる匂い検知器を 活性化させます ハエの操縦席では パイロットである アクターが どの匂いがあるのかを どの青色LEDが光っているか見ることで 認識することができます
What the Actor does with this information depends on its policy, which is stored in the strengths of the connection, between the odor detectors and the motors that power the fly's evasive actions. If the connection is weak, the motors will stay off and the fly will continue straight on its course. If the connection is strong, the motors will turn on and the fly will initiate a turn. Now consider a situation in which the motors stay off, the fly continues on its path and it suffers some painful consequence such as getting zapped. In a situation like this, we would expect the Critic to speak up and to tell the Actor to change its policy. We have created such a situation, artificially, by turning on the critic with a flash of light. That caused a strengthening of the connections between the currently active odor detector and the motors. So the next time the fly finds itself facing the same odor again, the connection is strong enough to turn on the motors and to trigger an evasive maneuver.
アクターがこの情報を使って 何をするかは 行動方針によって変わり 匂い検知器とハエの 回避行動を起こしている 運動器の結びつきの強さが その方針の より所になっています もし結びつきが弱ければ 運動器は働かず ハエはそのまま直進します 結びつきが強ければ 運動器が働き ハエは今来た道を戻ります 次のような状況を 考えてみましょう 運動器が働かないまま まっすぐ進むと 痛みを伴う結果が 待っている 例えば電気が 流れるような このような状況では 「評論家」は 行動方針を変えるよう アクターに働きかけるものと 予想されます 光で批評家を 働かせることで この状況を人為的に 作り出しました そしてこれは現在活性化している 匂い検知器と 運動器の結びつきを強める 結果となりました つまり次に ハエが 同じ匂いと 出くわしたとき 結びつきは運動器を働かせ 回避行動をとります
I don't know about you, but I find it exhilarating to see how vague psychological notions evaporate and give rise to a physical, mechanistic understanding of the mind, even if it's the mind of the fly. This is one piece of good news. The other piece of good news, for a scientist at least, is that much remains to be discovered. In the experiments I told you about, we have lifted the identity of the Critic, but we still have no idea how the Critic does its job. Come to think of it, knowing when you're wrong without a teacher, or your mother, telling you, is a very hard problem. There are some ideas in computer science and in artificial intelligence as to how this might be done, but we still haven't solved a single example of how intelligent behavior springs from the physical interactions in living matter. I think we'll get there in the not too distant future.
皆さんはどうか 分かりませんが 私からすると 心理学の抽象的な 概念が消え失せ 心の働きを身体的・機械的に 理解できるのは 実に爽快なことに思えます たとえハエの心だと してもです これはよいニュースの一つです もう一つの 少なくとも科学者にとって よいニュースは まだまだ未知の領域が たくさんあるということです 前述した実験で 「評論家」が誰かは 分かりましたが 「評論家」がどのように 働いているかは まだ分かりません 考えてみると 先生やお母さんの助言無しでは 自分の間違いに 気づくことは とても難しいことです コンピュータサイエンスや 人工知能の中には これらの解決策の 糸口がありますが 生物において 知的行動が どのような神経細胞間の 相互作用で起こるか 証明されたことがありません 証明されたことがありません それらが解決されるのも そう遠くないと思っています
Thank you.
ありがとうございました
(Applause)
(拍手)