Michael Dickinson: Como uma mosca voa

A habilidade de um inseto de voar é talvez um dos maiores feitos da evolução. Michael Dickinson aborda como uma mosca doméstica comum consegue voar com asas tão delicadas, graças a movimentos inteligentes de batidas de asa e músculos de vôo que são poderosos e ágeis. Mas o ingrediente secreto: O incrível cérebro da mosca. (Filmado em TEDxCaltech.)

Eu cresci assistindo a Star Trek. Eu amo Star Trek.

Star Trek fez com que eu quisesse ver criaturas alienígenas.

criaturas de um mundo distante.

Mas, basicamente, eu percebi que eu poderia achar

aquelas criaturas alieníginas aqui mesmo na Terra.

E o que eu faço é estudar insetos.

Eu sou obcecado com insetos, principalmente pelo vôo dos insetos.

Eu acredito que a evolução dos insetos é talvez

um dos eventos mais importantes da história da vida.

Sem insetos, não haveriam plantas com flores.

Sem plantas com flores, não haveriam

primatas inteligentes e comedores de frutas dando palestras no TED.

(Risos)

Agora,

David e Hidehiko e Ketaki

apresentaram uma história muito convincente

sobre as semelhanças entre moscas-da-fruta e humanos,

e há várias semelhanças,

e então você deve pensar que se os humanos são parecidos com moscas-da-fruta,

o comportamento favorito de uma mosca-da-fruta deve ser esse, por exemplo

(Risos)

mas na minha palestra, eu não quero enfatizar as semelhanças

entre humanos e moscas-da-fruta, mas sim as diferenças,

e focar nos comportamentos em que as moscas-da-fruta se sobressaem.

E então eu gostaria de mostrar a vocês uma sequência acelerada de vídeos

de uma mosca filmada a 7.000 quadros por segundo sob irradiação infravermelha.

e à direita, fora da tela, está um predator eletrônico iminente

que irá em direção à mosca.

A mosca sentirá a presença deste predador.

Ela irá estender suas pernas.

Ela irá se contorcer para escapar

e viver para voar mais um dia.

Agora eu combinei essa sequência

para durar exatamente o mesmo que uma piscada humana.

então, no tempo que vocês levam para piscar,

a mosca viu o predador iminente,

estimou sua localização, iniciou um padrão motor para escapar,

batendo suas asas 220 vezes por segundo, como ela faz.

Eu acho que isso é um comportamento fascinante

que mostra quão rápido o cérebro da mosca processa informações.

Agora, vôo -- o que é preciso para voar?

Bem, para voar, assim como para uma aeronave,

você precisa de asas que gerem forças aerodinâmicas suficientes.

você precisa de um motor suficiente para gerar a força exigida no vôo,

e você precisa de um controlador,

e na primeira aeronave, o controlador era basicamente

o cérebro de Orville e Willbur sentados na cabine.

Agora, como isso se compara com a mosca?

Bem, eu passei boa parte da minha carreira tentando entender

como asas de inseto geram força suficiente para manter as moscas no ar.

E você deve ter ouvido como engenheiros provaram

que abelhões não poderiam voar.

Bem, o problema está em pensar que asas de inseto

funcionam do mesmo modo que asas de aeronaves. Mas elas não funcionam.

E nós lidamos com esse problema construindo gigantes,

modelos dinamicamente magnificados de insetos robôs

que bateriam as asas em piscinas gigantes de óleo mineral

nas quais poderíamos estudar as forças aerodinâmicas

e parece que os insetos batem suas asas

de modo muito inteligente, a um ângulo alto de ataque

que cria uma estrutura na borda de ataque da asa,

uma pequena estrutura parecida com um tornado chamada borda de ataque vórtex,

e é esse vórtex que permite que as asas

façam força o suficiente para que o animal fique no ar.

Mas a coisa que é na verdade mais -- então, o que é fascinante

não é tanto que a asa tenha uma morfologia interessante.

O que é inteligente é o modo com que a mosca bate as asas,

que logicamente é basicamente controlado pelo sistema nervoso,

e é isso que permite que moscas façam

essas notáveis manobras aéreas.

Então, e quanto ao motor?

O motor da mosca é absolutamente fascinante.

Elas tem dois tipos de músculos para o vôo:

o chamado músculo de força, que é ativado por distensão,

o que significa que ele se auto-ativa e não precisa ser controlado

pelo sistema nervoso, num regime de contração-a-contração.

É especializado para gerar a força enorme exigida para o vôo,

e preenche a porção central da mosca,

então quando uma mosca bate no seu para-brisa,

você está vendo basicamente o músculo

Mas ligado à base da asa

há um conjunto de pequenos, minúsculos músculos de controle

que não são nem um pouco poderosos, mas são muito velozes,

e são capazes de reconfigurar a dobradiça da asa

de batida-a-batida,

e é isso que permite a mosca a mudar sua asa

e gerar mudanças nas forças aerodinâmicas

que mudam a trajetória de vôo.

E claro, o papel do sistema nervoso é controlar tudo isso.

Então vamos olhar para o controlador.

Aqui, moscas se sobressaem nos tipos de sensores

que elas carregam para esse problema.

Elas têm antenas que sentem odores e detectam o vento.

Elas têm um olho sofisticados que é

o sistema visual mais rápido do planeta.

Elas têm outro conjunto de olhos no topo da cabeça.

Nós não temos nem ideia do que eles fazem,

Elas tem sensores nas asas.

As asas são cobertas de sensores, inclusive sensores

que sentem deformações na asa.

Elas podem até sentir sabores com suas asas.

Um dos sensores mais sofisticados que uma mosca tem

é uma estrutura chamada de halteres.

OS halteres são na verdade giroscópios.

Esses dispositivos batem pra frente e pra trás a 200 hertz durante o vôo,

e o animal pode usá-los para sentir o corpo em rotação

e iniciar manobras corretivas muito, muito rápido.

Mas toda essa informação sensorial precisa ser processada

por um cérebro e sim, de fato, moscas têm um cérebro,

um cérebro com cerca de 100.000 neurônios.

Agora várias pessoas nessa conferência

já sugeriram que as moscas-da-fruta podem servir a neurociência

porque elas representam um modelo simples da função cerebral.

a mensagem básica da minha palestra é,

eu gostaria de mudar isso completamente.

Eu não acho que elas são um modelo simples de nada.

E eu acho que moscas são um modelo ótimo.

Elas são um modelo ótimo de moscas.

(Risos)

E vamos explorar essa noção de simplicidade.

Então eu acho que, infelizmente, muitos neurocientistas,

somos todos um pouco narcisistas.

Quando pensamos em cérebro, claro que imaginamos nosso próprio cérebro.

Mas lembre-se que esse tipo de cérebro,

que é muito, muito menor

- ao invés dos 100 bilhões de neurônios, tem apenas 100.000 neurônios -

mas esse é o tipo de cérebro mais comum do planeta.

e foi assim durante 400 milhões de anos.

e então é justo dizer que é simples?

Bem, é simples no sentido de que tem menos neurônios,

mas isso é uma medida justa?

E eu proponho que não é uma medida justa.

Então vamos meio que pensar sobre isso. Eu acho que temos que comprarar --

(Risos)

nós temos que comparar o tamanho do cérebro

com o que o cérebro pode fazer.

Então eu proponho o número Trump,

e o número Trump é a razão entre o repertório comportamental

desse homem pela número de neurônios em seu cérebro.

Vamos calcular o número Trump para a mosca-da-fruta.

Agora, quantas pessoas aqui acham que o número Trump

é maior para a mosca-da-fruta?

(Aplausos)

Essa é uma audiência muito, muito esperta.

Sim, a inequalidade vai nessa diração, ou eu assim proponho.

Eu sei que isso é um pouco absurdo

comparar o repertório comportamental de um humano com uma mosca.

Mas então vamos pegar outro animal, só como um exemplo. Aqui está um camundongo.

Um camundongo tem cerca de 1000 vezes mais neurônios que uma mosca.

Eu costumava estudar camundongos. Quando eu estudava camundongos,

Eu costumava falar bem devagar.

E então algo aconteceu quando eu comecei a trabalhar com moscas.

(Risos)

Eu acho que se você comparar a história natural de moscas com camundongos,

é realmente comparável. Ambos tem que procurar por alimento.

Ambos tem que se envolver no processo de corte.

Ambos fazem sexo. Ambos se escondem

Eles fazem muitas coisas parecidas.

Mas eu argumentaria que moscas fazem mais.

Então, por exemplo, eu vou mostrar-lhes uma sequência,

e eu devo dizer que parte dos meus fundos vem dos militares

então eu estou mostrando informação confidencial

e vocês não podem discuti-la fora desta sala. Tudo bem?

Então eu quero que você olhe para a matriz de choque

na cauda da mosca-da-fruta.

Observe atentamente,

e você verá porque meu filho de seis anos

quer ser um neurocientista agora.

Esperem.

Phew.

Então pelo menos você vai admitir que moscas-da-fruta não são tão inteligentes quanto camundongos,

elas são pelo menos tão inteligentes quanto pombos. (Risos)

Eu quero passar a mensagem que não é só uma questão de números

mas também o desafio para uma mosca computar

tudo que seu cérebro precisa computar com neurônios tão pequenos.

Essa é uma bela imagem de um interneurônio visual de um camundongo

que veio do laboratório de Jeff Lichtman.

e você pode ver as imagens maravilhosas dos cérebros

que ele mostrou em sua palestra.

Mas lá no canto, no canto direito, você verá,

na mesma escala, um interneurônio visual de uma mosca.

E eu vou magnificar isso.

E é um neurônio lindamente complexo.

É apenas muito, muito pequeno e tem vários desafios biofísicos

ao tentar computar toda a informação com neurônios tão pequenininhos.

Quão pequenos neurônios podem ficar? Bem, veja este interessante inseto.

Parece um pouco com uma mosca. Tem asas e olhos,

tem antena, pernas, história de vida complicada,

é um parasita, tem que voar por aí e achar lagartas

para parasitar,

mas não só o cérebro é do tamanho de um grão de sal,

que é comparável ao da mosca-da-fruta,

é do tamanho de um grão de sal.

Aqui estão outros organismos numa escala similar.

Este animal é do tamanho de um paramécio e uma ameba,

e tem um cérebro de 7.000 neurônios que é tão pequeno--

vocês sabem dessas coisas chamadas de corpos celulares que vocês têm ouvido,

aonde o núcleo do neurônio está?

Este animal se livra deles porque eles ocupam muito espaço.

Essa é uma sessão de fronteiras na neurociência.

Eu proponho que uma fronteira da neurociência é descobrir como o cérebro de uma coisa dessas funciona.

Mas vamos pensar sobre isso. Como você poderia fazer um número pequeno de neurônios fazer muito?

E eu acho que de uma perspectiva da engenharia,

você pensa em "multiplexing".

Você pode pegar um disco rígido e fazer isso

fazer coisas diferentes em horas diferentes,

ou ter partes diferentes do disco rígido fazendo coisas diferentes.

E esses são os dois conceitos que eu gostaria de explorar.

E esses não são conceitos que eu inventei,

mas sim conceitos que foram propostos por outros no passado.

E uma ideia vem de lições de mastigação de caranguejos.

E eu não quero dizer mastigando os caranguejos.

Eu cresci em Baltimore, e eu mastigo caranguejos muito, muito bem.

Mas eu estou falando dos caranguejos mesmo mastigando algo.

Mastigação de caranguejos é realmente fascinante.

Caranguejos tem essa estrutura complicada debaixo de suas carapaças.

chamada de moinho gástrico

que tritura a comida numa variedade de modos.

E aqui está um filme de uma endoscopia dessa estrutura.

O mais impressionante é que essa coisa é controlada

por um conjunto mínimo de neurônios, cerca de duas dúzias de neurônios

que podem produzir uma vasta variedade de padrões motores diferentes,

e o motivo pelo qual pode fazer isso é que este pequenino gânglio

no caranguejo é, na realidade, imundado por vários, vários neuromoduladores.

Vocês ouviram sobre neuromoduladores antes.

Existem mais neuromoduladores

que alteram, que inervam essa estrutura do que os próprios neurônios dessa estrutura,

e eles são capazes de gerar um conjunto complicado de padrões.

E este é o trabalho de Eve Marder e vários de seus colegas

que vêm estudando esse sistema fascinante

que mostram como um conjunto pequeno de neurônios

podem fazer muitas, muitas coisas

por causa de neuromodulação que pode acontecer de momento a momento.

Então isso é basicamente "multiplexing" no tempo.

Imagine uma rede de neurônios com um neuromodulador.

Você seleciona um conjunto de células para realizar um tipo de comportamento,

outro neuromodulador, outro conjunto de células,

um padrão diferente, e você pode imaginar

você pode extrapolar para um sistema muito, muito complicado.

Existem alguma indicação que moscas fazem isso?

Bem, por muitos anos no meu laboratório e no laboratório de outros pelo mundo,

nós temos estudado comportamento de moscas em pequenos simuladores de vôo.

você pode amarrar uma mosca a um pequeno bastão.

Você pode medir as forças aerodinâmicas que a mosca está criando.

Você pode deixar a mosca jogar um video game.

ao deixar a mosca voar num display visual.

Então deixe-me mostrar pequenas sequências disso.

Aqui está uma mosca

e uma visão infravermelha da mosca no simulador de vôo,

e este é um jogo que moscas adoram jogar.

Você permite que elas conduzam em direção a pequena pista,

e elas vão simplesmente em direção a pista para sempre.

É parte da orientação de seu sistema visual.

Mas muito, muito recentemente tem sido possível

modificar esses tipos de arenas comportamentais por fisiologias.

Então está é a preparação que um dos meus antigos pós-doutorandos,

Gaby Maimon, que está agora na Rockefeller, desenvolveu

e é basicamente um simulador de vôo

mas dentro de condições que você pode realmente colocar um eletrodo

no cérebro da mosca e grava

de um neurônio geneticamente identificado no cérebro da mosca.

E é assim que um desses experimentos se parece.

Foi uma sequência tirada por outra pós-doutoranda do laboratório,

Bettina Schnell.

O traço verde no fundo é o potencial de membrana

de um neurônio do cérebro de uma mosca,

e você verá a mosca começando a voar, e o vôo é na verdade

controlar a rotação do próprio padrão visual

pela sua própria movimentação da asa,

e você pode ver esse interneurônio visual

responder a um padrão de movimento de asa enquanto a mosca voa.

Então pela primeira vez nós fomos capazes de medir

neurônios no cérebro da mosca enquanto ela está

realizando comportamentos sofisticados como o vôo.

E uma das lições que estamos aprendendo

é que a fisiologia das células que estamos estudando

por vários anos em moscas dormentes

não é a mesma fisiologia das células

quando a mosca está ativamente envolvida em comportamentos ativos

como voando ou andando e assim por diante.

e por que essa fisiologia é diferente?

Bem o que observamos é que são esses neuromoduladores,

assim como os neuromoduladores naqueles pequenos gânglios do caranguejo.

Então aqui está uma foto do sistema octopamina.

Octopamina é um neuromodulador

que parece desempenhar um papel importante no vôo e outros comportamentos.

Mas esse é apenas um de vários neuromoduladores

que estão no cérebro da mosca.

Então eu realmente acho, ao aprendermos mais,

veremos que o cérebro inteiro da mosca

é simplesmente como uma versão maior desse gânglio estomagástrico,

e esse é um dos motivos pelo qual pode fazer tanto com tão poucos neurônios.

Agora, outra idéia, outro jeito de "multiplexing"

é "multiplexing" no espaço,

tendo partes diferentes de um neurônio

fazendo coisas diferentes ao mesmo tempo.

Então aqui estão dois tipos de neurônios canônicos

de um vertebrado e de um invertebrado,

um neurônio piramidal de Ramon y Cajal,

e outra célular à direita, um interneuron "non-spiking",

e esse é o trabalho de Alan Watson e Malcolm Burrows de muitos anos atrás,

e Malcom Burrows chegou a uma idéia muito interessante

baseado no fato desse neurônio de um gafanhoto

não ativa potenciais de ação.

É uma célula "non-spiking".

Então uma célula típica, como os neurônios em nosso cérebro,

tem uma região chamada de dendritos que recebem "input",

e esse "input" se soma

e produz potenciais de ação

que correm pelo axônio e então ativam

todas as regiões de "output" dos neurônios

Mas neurônios non-spiking são na verdade bem complicados

porque eles podem ter sinapses "input" ou sinapses "output"

todas interligadas, e não há um único potencial de ação

que aciona todos os "outputs" ao mesmo tempo.

Então existe uma possibilidade que você tenha compartimentos computacionais

que permitem partes diferentes de um neurônio

fazer coisas diferentes ao mesmo tempo.

Então esses conceitos básicos de "multitasking" no tempo

e "multitasking" no espaço,

Eu acho que essas são coisas que ocorrem nos nossos cérebros também,

mas eu acho que insetos são verdadeiros mestres nisso.

Então eu espero que você pense em insetos de um jeito diferente a próxima vez,

e como eu digo daqui, por favor pense antes de esmagá-los.

(Aplausos)