Michael Dickinson: Come vola una mosca

L'abilità che un insetto ha di volare è forse una delle più grandi imprese dell'evoluzione. Michael Dickinson esamina come una comune mosca prende il volo con ali così delicate, grazie a un intelligente modo di battere le ali e a muscoli del volo potenti e agili allo stesso tempo. Ma il segreto è l'incredibile cervello della mosca. (Filmato a TEDxCaltech.)

Sono cresciuto guardando Star trek. Adoro Star Trek.

Star Trek ha fatto nascere in me la voglia
di vedere creature aliene,

creature da un mondo lontano.

Ma ho capito che potevo trovare

quelle creature aliene anche sulla Terra.

Quello che faccio è studiare gli insetti.

Sono ossessionato dagli insetti,
in particolare dal volo degli insetti.

penso che l'evoluzione
del volo degli insetti sia

uno dei più importanti eventi
nella storia della vita.

Senza insetti, non ci sarebbero piante fiorite.

Senza piante fiorite, non ci sarebbero

primati intelligenti ghiotti di frutta
a presentare i talk di TED.

(Risate)

Dunque,

David e Hidehiko e Ketaki

hanno raccontato una storia convincente sulle

somiglianze tra tra i moscerini della frutta
e gli umani,

e ci sono molte somiglianze,

quindi potreste pensare che se gli umani
sono simili ai moscerini della frutta,

il comportamento preferito di un moscerino
della frutta potrebbe essere questo --

(Risate)

ma nel mio discorso, non voglio enfatizzare
le somiglianze

tra gli umani e i moscerini della frutta,
ma le differenze,

voglio concentrarmi sulle cose che
penso che i moscerini facciano meglio.

Voglio mostrarvi un video velocizzato

di una mosca, a 7000 fotogrammi al secondo
in infrarossi

a destra, fuori dallo schermo, c'è un
minaccioso predatore elettronico

che sta per andare verso la mosca.

La mosca sta per percepire il predatore.

Sta per estendere le sue zampe.

Sta per andarsene con disinvoltura

per vivere un giorno in più.

Ho tagliato questa sequenza

in modo che corrispondesse alla
durata di un battito di ciglia umano,

nel tempo in cui battete gli occhi,

la mosca ha visto il predatore minaccioso,

valutato la sua posizione, iniziato a volare via,

battendo le ali 220 volte al secondo.

Credo che questo sia un comportamento affascinante

che mostra quanto velocemente il cervello
della mosca possa elaborare le informazioni.

Volare -- cosa ci vuole per volare?

Per volare, come in un aeroplano umano,

c'è bisogno di ali che generino abbastanza
forza aerodinamica,

c'è bisogno di un motore
che generi potenza per volare,

e c'è bisogno di un controllore,

e nel primo aeroplano umano,
il controllore era

il cervello di Orville e Wilbur
seduti nella cabina di pilotaggio.

Cosa ha a che fare questo con una mosca?

All'inizio ho speso gran parte della mia carriera
a cercare di capire

come le ali degli insetti generino forza sufficiente
per tenere le mosche sospese.

Avrete sentito che gli ingegneri dimostrarono

che i calabroni non potevano volare.

Il problema era pensare che le ali degli insetti

funzionassero come le ali degli aerei.
Ma non è così.

Affrontiamo questo problema costruendo

insetti robot giganti in scala

che si muovono in giganti vasche di olio minerale

dove possiamo studiare le forze aerodinamiche.

Risulta che gli insetti sbattono le ali

in modo intelligente, a un angolo d'attacco alto

che crea una struttura nella parte anteriore dell'ala,

una struttura a tornado chiamata
vortice della parte anteriore,

ed è questo vortice che permette alle ali

di produrre forza sufficiente
affinché l'animale stia in aria.

Ma la cosa più affascinante

non sta tanto nell'interessante morfologia dell'ala.

La cosa intelligente è il modo in cui
la mosca batte le ali,

il che è controllato dal sistema nervoso,

e questo permette alle mosche di realizzare

queste eccezionali evoluzioni aeree.

E il motore?

Il motore della mosca è affascinante.

Hanno due tipi di muscoli del volo:

il muscolo della potenza, attivato dall'allungamento,

quindi che si attiva da solo
senza essere controllato

con un sistema di contrazioni dal sistema nervoso.

È specializzato nel generare l'enorme
potenza necessaria per volare,

e riempie la parte centrale della mosca,

quando una mosca
colpisce un tergicristallo,

state guardando il muscolo della potenza.

Ma attaccato alla base delle ali

c'è un insieme di piccoli muscoli di controllo

non molto potenti, ma molto veloci,

possono riconfigurare il cardine dell'ala

con un colpo dopo l'altro,

e questo permette alla mosca di cambiare ala

e generare i cambiamenti nelle forze aerodinamiche

che cambiano la sua traiettoria di volo.

Il ruolo del sistema nervoso è di controllare tutto questo.

Esaminiamo il controllore.

Le mosche eccellono nei tipi di sensori

che hanno a questo scopo.

Hanno antenne che percepiscono gli odori
e rilevano il vento.

Hanno un occhio sofisticato che è

il sistema visivo più veloce del mondo.

Hanno altri occhi sulla loro testa.

Non abbiamo idea di ciò che facciano.

Hanno dei sensori sull'ala.

La loro ala è ricoperta di sensori,
compresi sensori

che percepiscono la deformazione dell'ala.

Possono distinguere il sapore con le loro ali.

Uno dei sensori più sofisticati di una mosca

è una struttura chiamata bilanciere.

I bilancieri sono dei giroscopi.

Questi strumenti sbattono avanti e indietro
a circa 200 hertz durante il volo,

e l'animale può usarli per precepire
la rotazione del suo corpo

e iniziare manovre correttive molto veloci.

Tutte queste informazioni sensoriali
devono essere elaborate

da un cervello e le mosche ne hanno uno,

un cervello di 100 000 neuroni.

Molti a questa conferenza

hanno già suggerito che i moscerini della frutta
possono servire alla neuroscienza

perché sono un modello semplice
della funzione cerebrale.

E lo scopo del mio discorso è quello

di capovolgere tutto questo.

Non penso siano un modello semplice di niente.

Penso che le mosche siano un ottimo modello.

Sono un ottimo modello per le mosche.

(Risate)

Esploriamo questo concetto di semplicità.

Penso che molti neuroscienziati,

siamo tutti un po' narcisisti.

Quando pensiamo al cervello,
immaginiamo il nostro.

Ma questo tipo di cervello,

che è più piccolo

- invece di 100 miliardi di neuroni ne ha 100 000 -

ma questa è la più comune forma di cervello al mondo

e lo è stata per 400 milioni di anni.

È giusto dire che è semplice?

È semplice nel senso che ha meno neuroni,

ma questo è un metro di paragone giusto?

Suggerirei che non lo è.

Pensiamoci. Credo che dovremmo comparare --

(Risate) --

dobbiamo comparare le dimensioni del cervello

con ciò che il cervello può fare.

Propongo di avere un numero Trump,

dove il numero Trump è il rapporto tra

i comportamenti di quest'uomo e
il numero di neuroni del suo cervello.

Calcoliamo il numero Trump per
il moscerino della frutta.

Quanti pensano che il numero Trump

sia più alto per il moscerino?

(Applausi)

Il pubblico è molto intelligente.

La disparità va in questa direzione,
o così ipotizzerei.

Capisco che sia un po' assurdo

paragonare i comportamenti di umani e mosche.

Facciamo un esempio con un altro animale.
Un topo.

Un topo ha circa 1000 neuroni in più di una mosca.

Studiavo i topi. Quando li studiavo

parlavo molto piano.

Poi è successo qualcosa quando ho iniziato
a studiare le mosche.

(Risate)

Se si confronta la storia naturale di
mosche e topi,

è davvero comparabile. Devono ricercare cibo.

Devono fare la corte.

Fanno sesso. Si nascondono dai predatori.

Fanno un sacco di cose simili.

Ma io direi che le mosche fanno di più.

Per esempio, vi farò vedere una sequenza,

devo dire che alcuni dei miei fondi
vengono dalle forze armate,

quindi vi mostro questa sequenza riservata

di cui non potete parlare al di fuori
di questa stanza, ok?

Voglio che guardiate il carico

sulla coda del moscerino della frutta.

Guardatelo attentamente,

e capirete perché mio figlio di sei anni

vuole diventare un neuroscienziato.

Aspettate.

Fiuuuu!

Ammetterete che se i moscerini della frutta
non sono intelligenti quanto i topi,

almeno lo sono quanto i piccioni.
(Risate)

Voglio far capire che non è solo
una questione di numeri

ma è anche una sfida
per una mosca calcolare

tutto ciò che il suo cervello deve calcolare
con neuroni così piccoli.

Questa è una bella immagine
di un interneurone di un topo

dal laboratorio di Jeff Lichtman,

potete vedere le meravigliose
immagini del cervello

che ha mostrato nel suo discorso.

Nell'angolo in alto a destra, vedete,

nella stessa scala, un interneurone
di una mosca.

Lo ingrandisco.

È un neurone complesso.

È solo molto piccolo, ed è una sfida biofisica

cercare di calcolare le informazioni
con dei neuroni molto piccoli.

Quanto piccoli possono essere i neuroni?
Guardate questo insetto.

È come una mosca. Ha le ali, gli occhi,

le antenne, le zampe, una storia di vita complicata,

è un parassita, vola per cercare bruchi

da parassitizzare,

non solo il suo cervello è grande come
un granello di sale,

come nel moscerino della frutta,

lui stesso è grande come un granello di sale.

Qui ci sono altri organismi in una scala simile.

Questo animale è grande come
un paramecio e un'ameba,

e ha un cervello di 7000 neuroni, è così piccolo --

conoscete queste cose chiamate corpi cellulari

dove c'è il nucleo del neurone?

Questo animale se ne disfa
perché occupano troppo spazio.

Questa sessione tocca le frontiere
della neuroscienza.

Ipotizzerei che una frontiera della neuroscienza
è capire come funziona il cervello di quella cosa.

Ma come si possono far fare
così tante cose a pochi neuroni?

Da una prospettiva ingegneristica, io penso,

voi pensate alla multiplazione.

Potete prendere un hardware e fargli fare

cose diverse in momenti diversi,

o avere parti diverse dell'hardware
che fanno cose diverse.

Questi sono due concetti che vorrei esplorare.

Non sono concetti che mi sono inventato io,

ma che sono stati proposti da altri in passato.

Un'idea viene dalla masticazione dei granchi.

Che non significa masticare i granchi.

Sono cresciuto a Baltimora, mastico
i granchi molto bene.

Ma sto parlando dei granchi che masticano.

La masticazione dei granchi è affascinante.

I granchi hanno una struttura complessa
sotto il carapace

chiamata mulino gastrico

che frantuma il cibo in modi diversi.

Ecco un filmato endoscopico di questa struttura.

La cosa sorprendente è che è controllata

da un insieme di neuroni, circa due dozzine

che possono produrre diversi schemi motori,

e la ragione per cui può farlo è che
questo piccolo ganglio

nel granchio è inondato da molti
neuromodulatori.

Avete già sentito parlare di neuromodulatori.

Ci sono più neuromodulatori

che alterano, innervano questa struttura
rispetto ai neuroni nella struttura,

e sono in grado di generare un
insieme di schemi complesso.

Questo è il lavoro di Eve Marder e
dei suoi molti colleghi

che hanno studiato questo sistema affascinante

che mostra come un più piccolo gruppo di neuroni

possa fare molte, molte cose

a causa della neuromodulazione
che può avvenire attimo per attimo.

Quindi avviene una multiplazione nel tempo.

Immaginate una rete di neuroni
con un neuromodulatore.

Selezionate un insieme di cellule per
rappresentare un comportamento,

un altro neuromodulatore, un altro insieme di cellule,

uno schema diverso, e potete immaginare

potete estrapolare un sistema molto complicato.

C'è una prova che le mosche facciano ciò?

Per molti anni nel mio laboratorio
e in altri laboratori nel mondo,

abbiamo studiato il comportamento delle mosche
in piccoli simulatori di volo.

Si può legare una mosca a un bastoncino.

Si possono misurare le forze aerodinamiche
che sta creando.

Si può lasciar giocare la mosca
a un piccolo videogioco

lasciandola volare in un display visivo.

Ve ne mostro una piccola sequenza.

Ecco una mosca

e un'ampia veduta a infrarossi
della mosca nel simulatore di volo,

questo è un gioco che piace alle mosche.

Le si lascia dirigere verso la piccola striscia,

e loro andranno per sempre verso quella striscia.

Fa parte del loro sistema di orientamento visivo.

Ma molto recentemente, è stato possibile

modificare queste aree comportamentali
per fisiologie.

Questa è una produzione che un mio ex ricercatore,

Gaby Maimon, ora alla Rockefeller, ha sviluppato,

è un simulatore di volo

in cui è realmente possibile
introdurre un elettrodo

nel cervello della mosca e registrare

da un neurone geneticamente identificato
nel cervello della mosca.

Uno di questi esperimenti appare così.

Era una sequenza presa da un altro ricercatore
nel laboratorio,

Bettina Schnell.

La traccia verde in basso è
il potenziale della membrana

di un neurone nel cervello della mosca,

vedrete la mosca iniziare a volare,
la mosca sta davvero

controllando la rotazione dello schema visivo

tramite il movimento dell'ala,

e potete vedere questo interneurone visivo

rispondere allo schema del moto dell'ala
mentre la mosca vola.

Per la prima volta siamo stati in grado di registrare

da neuroni nel cervello della mosca mentre la mosca

si esibiva in comportamenti sofisticati come il volo.

Una delle lezioni che abbiamo imparato

è che la fisiologia delle cellule
che abbiamo studiato

per molti anni nelle mosche quiescenti

non è uguale alla fisiologia di quelle cellule

quando la mosca assume comportamenti attivi

come volare e camminare e così via.

Perché la fisiologia è diversa?

È per via di questi neuromodulatori,

proprio come i neuromodulatori nel
piccolo ganglio dei granchi.

Ecco un'immagine dell'octopamina.

L'octopamina è un neuromodulatore

che sembra avere un ruolo importante
nel volo e in altri comportamenti.

Ma è solo uno dei molti neuromodulatori

nel cervello della mosca.

Penso che con il tempo

risulterà che l'intero cervello della mosca

è una versione ampia di questo
ganglio stomatogastrico,

e questa è una ragione per cui
può fare tanto con pochi neuroni.

Un'altra idea, un altro tipo di multiplazione

è la multiplazione nello spazio,

facendo fare a diverse parti di un neurone

diverse cose allo stesso tempo.

Ecco due tipi di neuroni canonici

da un vertebrato e da un invertebrato,

un neurone piramidale umano da Ramon y Cajal,

e un'altra cellula a destra,
un interneurone senza impulsi,

questo è il lavoro di Alan Watson e
Malcolm Burrows molti anni fa,

e a Malcolm Burrows venne un'idea interessante

basata sul fatto che questo neurone di una locusta

non innesca potenziali d'azione.

È una cellula senza impulsi

Quindi una cellula tipica, come i neuroni
nel nostro cervello,

ha una regione dendritica che riceve input,

e gli input si sommano

producendo potenziali d'azione

che corrono lungo l'assone e attivano

le regioni di output del neurone.

Ma i neuroni senza impulsi sono complicati

perché possono avere delle
sinapsi di input e di output

tutte intrecciate, e non c'è alcun
potenziale d'azione

che trasmette tutti gli output allo stesso tempo.

C'è una possibilità di avere dei
compartimenti computazionali

che permettono alle diverse parti del neurone

di fare cose diverse allo stesso tempo.

Questi basilari concetti di multitasking nel tempo

e multitasking nello spazio,

penso siano veri anche per i nostri cervelli,

ma penso che gli insetti siano dei maestri in questo.

Spero che la prossima volta guarderete gli insetti
con occhi diversi,

e, per favore, pensateci prima di schiacciarli.

(Applausi)