Michael Dickinson: Làm thế nào một con ruồi bay lên được

Năng lực bay lên của một con côn trùng có lẽ là một trong những kì công vĩ đại nhất của sự tiến hóa. Michael Dickinson quan sát sách mà một con ruồi nhà bay lên chỉ với đôi cánh mỏng manh yếu ớt. Điều đó là nhờ chuyển động đập cánh khéo léo và những hệ cơ bay mạnh mẽ ,lanh lẹ. Nhưng thành phần bí mật chính đó là: bộ não phi thường của ruồi.

Tôi lớn lên cùng với bộ phim Stat Trek. Tôi
yêu Star Trek.

Star Trek khiến tôi muốn nhìn thấy những sinh vật lạ

những sinh vật ngoài thế giới xa xôi kia.

Nhưng về cơ bản, tôi nhận ra mình có thể tìm thấy

những sinh vật ngoài hành tinh ngay trên Trái Đất.

và điều mà tôi làm là nghiên cứu côn trùng.

tôi bị ám ảnh bởi côn trùng đặc biệt là loài biết bay

tôi cho rằng sự tiến hoá của loài côn trùng bay có lẽ là

một trong những sự kiện quan trọng nhất trong lịch sự của sự sống

Không có côn trùng thì sẽ chẳng có cây nở hoa

không có cây nở hoa thì

sẽ chẳng có những động vật linh trưởng ăn trái cây tài giỏi phát biểu tại TED

(Cười)

David

Hidehiko và Ketaki

đã mang tới một câu chuyện rất lôi cuốn về

sự tương đồng giữa loài ruồi ăn trái cây và con người,

có rất nhiều sự tương đồng

và bạn có thể nghĩ rằng nếu con người giống như loài ruồi hoa quả

thì hành vi ưa thích của chú ruồi ăn hoa quả này có lẽ giống thế này chẳng hạn

( Cười)

nhưng trong bài nói chuyện của mình, tôi không muốn nhấn mạnh vào những chỗ tương đồng

giữa người và loài ruồi ăn hoa quả, mà là vào sự khác biệt

và tập trung vào những hành vi mà tôi cho là loài ruồi thật thành thạo

tôi muốn cho các bạn xem một đoạn phim tốc độ cao

về một chú ruồi với 7000 khung ảnh một giây qua ánh sáng hồng ngoại

phía bên phải , không có trong khung hình, là bóng điện tử của kẻ săn mồi

đang chuẩn bị tấn công con ruồi

Con ruồi cảm nhận được kẻ săn mồi này.

nó sẽ trải chân dài ra

và khệnh khạng bay đi

sống sót và được bay thêm ngày nữa,

Giờ tôi sẽ cẩn thận cắt chuỗi phim này

thành một đoạn đúng bằng một cái chớp mắt của con người

trong một cái chớp mắt của bạn

con ruồi đó đã thấy kẻ săn mồi rình mò này

ước định vị trí kẻ săn mồi và khởi động hành vi vận động để bay đi

đập cánh 220 lấn/giây

tôi cho rằng đây là một hành vi thật thú vị

nó cho ta thấy não của con ruồi xử lý thông tin nhanh như thế nào

Vậy còn điều gì đã khiến cho những chuyến bay cất cánh?

Để bay, giống như máy bay con người tạo ra

bạn cần có cánh có thể tạo ra đủ khí động lực

bạn cần một bộ máy tạo đủ năng lượng để bay

và bạn cần một bộ điều khiển

trong chiếc máy bay đầu tiên của con người, bộ điều khiển đơn giản là

bộ não của Orville và Wilbur ngồi trong buồng lái

Vậy so sánh với con ruồi thì thế nào?

Tôi đã dành phần nhiều trong buổi đầu sự nghiệp của mình cố tìm ra

làm thế nào mà cánh của côn trùng có thể tạo ra đủ lực để giữ con ruồi trên không

bạn có lẽ từng nghe các nhà kĩ sư đã chứng minh

rằng ong nghệ không thể bay

Vấn đề là việc cho rằng cánh của côn trùng

hoạt động theo cách mà máy bay hoạt động. Nhưng không phải

Chúng tôi khắc phục vấn đề này bằng cách tạo ra những

mẫu robot côn trùng sống động với quy mô lớn

mà sẽ bay vào những hồ dầu khoáng

nới chúng ta có thể nghiên cứu các lực khí động học.

Hoá ra là côn trùng đập cánh

khi bị dồn vào thế tấn công theo cách rất thông minh

khi đó sẽ tạo ra một cấu trúc ở đầu mép cánh chính

một cấu trúc có dạng lốc xoáy gọi là lốc xoáy đầu mép

chính lốc xoáy đó đã khiến cho cánh

tạo ra đủ lực để giữ cho chúng bay trên không.

Nhưng điều thực sự thú vị hơn hết

không phải là hình thái học thú vị của cánh

mà là cách con ruồi đập cánh

Điều mà hiển nhiên là được kiểm soát bởi hệ thống thần kinh

đây chính là điều khiến ruồi có thể thực hiện

những sự vận động trên không đáng kinh ngạc này

Vậy cơ cấu của ruồi như thế nào?

Cơ cấu của nó rất thú vị

Chúng có hai loại hệ cơ để bay:

cái gọi là cơ lực có chức năng duỗi ra

có nghĩa là nó tự hoạt động mà không cần điều khiển

dựa vào sự co thắt bởi hệ thần kinh

Nó đựơc chuyên hóa để tạo ra lượng lực khổng lồ để bay

và tập trung ở phần thân giữa của ruồi

Vậy nên khi một con ruồi va vào kính xe của bạn

cơ bản là bạn đang nhìn vào hệ cơ lực

Nhưng tại phần gốc của cánh

có một loại cơ điều khiển nhỏ bé

không mạnh nhưng rất nhanh

chúng có thể tái cấu trúc phần bản lề của cánh

qua từng cú đập

Đây là điều khiến cho ruồi có thể thay cách đập cánh

và tạo ra những thay đổi về khí động lực

và giúp nó thay đổi quỹ đạo bay

Tất nhiên,vai trò của hệ thần kinh là kiểm soát những điều này

Vậy hãy quan sát trung khu điều khiển

Ruồi cảm ứng rất giỏi theo cách nào đó

mà chúng tạo rắc rối này

Chúng có những ăng ten cảm ứng mùi và dò hướng gío

Chúng có con mắt tinh tế

với năng lực quan sát chớp nhoáng nhất trên hành tinh

Chúng có một bộ mắt khác trên đỉnh đầu

Chúng ta không biết công dụng của bộ mắt này là gì

Chúng có bộ cảm ứng trên cánh

Cánh của chúng được bao phủ bởi hay có chứa các dây thần kinh cảm ứng

cảm nhận sự biến dạng của cánh

Chúng có thể nếm bằng cánh

Một trong những cảm ứng phức tạp nhất mà con ruồi có

là một cấu trúc được gọi là các dây cương

Những dây cương này thực sự là các con quay hồi chuyển

Những thiết bị này đập về trước và sau khoảng 200 hec khi bay

và con ruồi có thể dùng chúng để cảm nhận chuyển động quay của cơ thể

và khởi động nhanh chóng việc điều chỉnh chuyển động

Nhưng toàn bộ những thông tin cảm ứng này phải được xử lí

bởi bộ não và ruồi thực sự có não

một bộ não bao gồm 100,000 tế bào thần kinh

Một vài người trong hội phòng này

đã cho rằng loài ruồi trái cây có thể phục vụ cho khoa học thần kinh

chúng là một mô hình chức năng não đơn giản

Điểm cơ bản chính của bài nói chuyện của tôi là

quay trở lại nói về cái đầu của ruồi

Tôi không nghĩ chúng là những mô hình đơn giản của bất cứ thứ gì

Tôi nghĩ rằng loài ruồi là những mô hình tuyệt vời

của chính chúng

(Cười)

Hãy khám phá khái niệm của sự đơn giản này

Tôi nghĩ rằng thật không may, rất nhiều nhà khoa học thần kinh

Chúng tôi đều theo cách nào đó quá yêu bản thân

Khi chúng tôi nghĩ về não bộ, chúng tôi đều hiển nhiên nghĩ đến não bộ của chính mình

Nhưng hãy nhớ dạng não như thế này

dạng nhỏ hơn rất nhiều

thay vì có một trăm tỉ tế bào thần kinh, nó chỉ có một trăm ngàn thôi

nhưng đây lại là dạng não phổ biến nhất trên hành tinh

và đã tồn tại như thế qua 400 triệu năm

Vậy có công bằng không khi nói rằng nó đơn giản

Nó đơn giản khi bị so sánh về số lượng tế bào thần kinh khiêm tốn

nhưng đó có phải là một hệ đo lường công bằng?

Tôi cho rằng nó không phải là hệ đo công bằng

Vậy nên hãy suy nghĩ chút ít về điều này. Tôi nghĩ chúng ta phải so sánh--

Cười

kích thước của não bộ

với điều mà chúng có thể làm

Vậy nên tôi lấy ví dụ so sánh là số hiệu của Ông Trump

và là tỉ lệ của danh mục hành vi

của người đàn ông này so với con số tế bào thần kinh trong não của ông ấy

Chúng ta sẽ tính toán so sánh bằng hiệu số của ông Trump với loài ruồi ăn hoa quả

Bao nhiêu người trong số các bạn ở đây nghĩ rằng hiệu số của ông Trump

cao hơn loài ruồi hoa quả này

Vỗ tay

Khán giả thông minh thật

Vâng, sự không cân bằng xảy ra theo hướng này, hoặc là tôi đặt để nó như thế

Tôi nhận ra rằng có chút vô lí

khi so sánh hiệu số danh mục hành vi của người với một con ruồi

Hãy lấy một thí dụ từ con vật khác. Con chuột vậy

MỘt con chuột có nhiều hơn gấp 1,000 lần các tế bào thần kinh so với con ruồi

Tôi từng nghiên cứu về chuột. KHi tôi nghiên cứu chuột

Tôi từng nói chậm.

Sau đó thì có gì đó tự nhiên xảy ra khi tôi nghiên cứu ruồi

Cười

Tôi nghĩ nếu bạn so sánh lịch sử tự nhiên của giữa ruồi và chuột

điều này có thể sánh được. Chúng phải lùng sục tìm thức ăn

Chúng phải tán tỉnh

Giao phối. Lẩn trốn khỏi những kẻ săn mồi

Chúng làm rất nhiều thứ tương tự nhau

Nhưng tôi muốn lập lụân rằng ruồi làm nhiều hơn

Ví dụ, tôi sẽ cho bạn xem một cảnh phim

nhưng tôi phải nói rằng, một trong những quỹ tài trợ của tôi có được từ quân đội

Vậy nên tôi sẽ cho các bạn xem cảnh phim tuyệt mật này

và bạn đừng thảo luận nó ngoài khán phòng này nhé?

Tôi múôn bạn quan sát phần lượng tải

tại đuôi con ruồi hoa quả

Quan sát kỹ

bạn sẽ thấy tại sao thằng con 6 tuổi của tôi

lại muốn thành nhà khoa học thần kinh.

Chờ chút

Bùm

Vậy nếu chỉ ít bạn thừa nhận rằng loài ruồi hoa quả không thông minh bằng loài chuột

thì chúng chỉ ít cũng thông minh bằng chim bồ câu. Cười

Giờ đây tôi muốn ám chỉ rằng ở đây không chỉ là vấn đề về số lượng

mà còn là thách thức cho một con ruồi phải tính toán mọi thứ

bộ não của chúng phải tính toán bằng những tế bào thần kinh bé tí tẹo

Đây là một hình ảnh tuyệt đẹp về một tế bào thần kinh thị giác trung gian của một con chuột

lấy từ phòng thí nghiệm của Jeff Lichtman

bạn có thể thấy những hình ảnh tuyệt đẹp của các bộ não

mà ông ấy đã chiếu trong bài nói chuyện của mình

Nhưng quan sát đến phần góc phải phía trên bạn sẽ thấy

với cùng một quy mô, một tế bào thị giác trung gian của con ruồi

Tôi sẽ phóng rộng phần này lên

Đây là một khu phức hợp tế bào thần kinh tuyệt đẹp

Nó rất nhỏ bé, và chứa rất nhiều những thách thức về vật lí sinh học

trong việc cố gắng tính toán xử lí thông tin với những tế bào thần kinh nhỏ bé

Những tế bào này có thể thu nhỏ đến mức nào? Quan sát con côn trùng nhỉ bé thú vị này

Trông nó giống một con ruồi. Nó có cánh, mắt

ăng ten, chân, và lịch sử cuộc đời phức tạp

nó là một dạng kí sinh, nó phải bay tứ tung tìm kiếm sâu bướm

để kí sinh trên chúng

Nhưng không chỉ có não của chúng là nhỏ như hạt muối

bằng với loài ruồi hoa quả

cũng chỉ nhỏ như hạt múôi

Đây là một vài cơ quan khác với tỉ lệ kích thước tương tự

Loài này chỉ bằng kích thước một con trùng đế giầy và một trùng amip

bộ não chúng chỉ chứa 7,000 tế bào thần kinh. rất nhỏ thôi

bạn đã nghe biết những thứ gọi là thân tế bào này

Vậy nhân tế bào của tế bào thần kinh ở đâu?

Loài sinh vật này tự loại bỏ nhân tế bào vì nó chiếm nhiều diện tích quá

Đây là một sự giao thoa giữa những biên giới của khoa học thần kinh

TÔi muốn đặt để rằng nó là một biên giới trong lĩnh vực khoa học thần kinh tìm hiểu bộ não hoạt động như thế nào.

Nhưng hãy nghĩ về điều này. bạn làm thế nào để khiến một lượng nhỏ tế bào thần kinh làm được nhiều việc?

Trên quan điểm của một kỹ sư tôi nghĩ rằng

bạn nghĩ đó là sự đa hợp

Bạn có thể lấy một phần cứng và khiến nó

làm nhiều việc khác nhau tại những thời điểm khác nhau,

hay sử dụng những phần khác nhau của phần cứng đó thực hiện những công việc khác nhau

Đây là hai khái niệm tôi múôn khám phá

hai khái niệm này không phải tôi nghĩ ra

nhưng được đưa ra bởi những người trong quá khứ

Một trong những ý tưởng đó được đề xuất qua bài học về hành động nhai của con cua

Tôi không có ý định nhai những con cua này

Tôi lớn lên tại Baltimore. Tôi nhai cua rất giỏi nhé

Nhưng tôi múôn nói tới con cua đang nhai

Cua đang nhai thực sự rất thú vị

Cua có một cấu trúc phức tạp dưới mai

gọi là dạ giày nghiền thức ăn

giúp nghiền thức ăn theo nhiều cách khác nhau

đây là một đoạn phim nội soi của cấu trúc này

Điều đáng kinh ngạc về bộ phận này là nó được điều khiển bởi

một bộ các tế bào thần kinh rất nhỏ, khoảng 24 tế bào thần kinh

thứ có thể sản sinh ra những kiểu mẫu vận động đa dạng khác nhau

và lí do mà chúng có thể làm được điều này là do cái hạch nhỏ này

trong con cua nó thực sự tràn ngập các tác nhân điều biến

bạn đã nghe đến tác nhân điều biến trứơc đây

Còn rất nhiều các tác nhân điều biến

mà thay đổi, kích thích cấu trúc này hơn là bản thân các tế bào thần kinh

chúng có thể tạo ra một bộ những mô hình phức tạp

Đây là công trình của Eve Marder và đồng nghiệp của cô ấy

những người đã đang nghiên cứu cái hệ thống thú vị này

cái cho ta thấy làm thế nào một chụm nhỏ các tế bào thần kinh

lại có thể làm nhiều thứ như vậy

bời vì sự điều biến tế bào thần kinh chỉ xảy ra trong phút chốc,

Vậy đây cơ bản là sự đa hợp theo thời gian

Hãy tưởng tượng một mạng lưới tế bào thần kinh với một tác nhân điều biến thần kinh

bạn chọn một bộ tế bào để thực hiện một hành vi

tác nhân điều biến tế bào thần kinh khác, một bộ tế bào khác,

với kiểu mẫu khác, hãy tưởng tượng

bạn có thể loại suy nó thành hệ thống rất phức tạp

Có chứng cứ nào chứng minh ruồi làm đựơc thế này không?

Qua nhiều năm trong phòng thí nghiệm của mình và những phòng thí nghiệm khác trên thế giới

Chúng tôi đã nghiên cứu hành vi của ruồi trong những thiết bị mô phỏng bay nhỏ bé

bạn có thể gắn một con ruồi vào một cái que nhỏ

bạn có thể đo lực khí động học mà nó tạo ra

bạn có thể để cho con ruồi chơi một chút trò chơi điện tử

bằng cách để nó bay xung quanh một màn hình

Đề tôi cho bạn xem một đoạn phim nhỏ về điều này

Đây là con ruồi

và một hình ảnh quan sát rộng lớn qua ánh sáng hồng ngoại trong thiết bị mô phỏng bay

đây là trò chơi con ruồi khoái chơi

Bạn để chúng bay về phía giải hình nhỏ kia

và chúng sẽ chỉ lái về hướng giải hình đó luôn mãi

Nó là một phần trong hệ thống hướng dẫn thị giác

Những gần đây, chúng ta đã có thể

sửa đổi những dạng phạm vi hành vi này phục vụ cho sinh lý học

Đây là một sự chuẩn bị mà một trong những vị nghiên cứu sinh tiến sĩ trước đây của tôi

Gaby Maimon, người hiện tại đang làm việc cho tập đoàn Rockefeller phát triển

Nó cơ bản là một mô hình mô phỏng bay

có những điều kiện mà bạn có thể gắn một điện cực

vào não của con ruồi để ghi dữ liệu

từ một tế bào thần kinh với dạng gien xác định

Đây là hình ảnh của một trong những thí nghiệm đó

Một đoạn phim được chụp từ một vị nghiên cứu sinh tiến sĩ khác trong phòng thí nghiệm

Bettina Schnell.

Phần màu xanh lá cây ở dưới là lớp hiệu thế màng

của một tế bào thần kinh trong não ruồi

và bạn sẽ thấy con ruồi bắt đầu bay, và chính con ruồi thực sự

đang kiểm soát giao động quay của mẫu thị giác

bằng chuyển động của cánh

Bạn có thể thấy những tế bào thần kinh thị giác trung gian

đáp ứng lại với kiểu chuyển động của cánh khi ruồi bay

Đây là lần đầu tiên chúng tôi đã có thể ghi dữ liệu

từ những tế bào thần kinh trong não ruồi khi chúng

thực hiện những hành vi phức tạp như khi bay chẳng hạn

MỘt trong những bài học mà chúng tôi đang tìm hiểu

đó là các tế bào sinh lý học mà chúng tôi đang nghiên cứu

trong nhiều năm trên ruồi khi chúng ở trạng thái tĩnh

khác với tế bào sinh lý khi

chúng đang thực hiện những hành vi hành động

như bay hay di chuyển..vv...

Vây tại sao sinh lí học lại khác nhau

Hoá ra là do những tác nhân thần kinh điều biến này

giống như tác nhân thần kinh điều biến có trong những con cua bé nhỏ.

Đây là hình ảnh về hệ thống phân tử truyền dẫn thần kinh

Nó là một tác nhân thần kinh điều biến

Có vẻ như nó đóng vai trò quan trọng trong khi bay và trong những hành vi khác

Nhưng đây chỉ là một trong số rất nhiều tác nhân thần kinh điều biến

trong não ruồi

Vậy nên tôi thực sự nghĩ rằng, khi chúng ta tìm hiểu nhiều hơn

hoá ra toàn bộ bộ não ruồi

cũng giống như một dạng phóng to của hạch dạ giày này

Đó là một trong những lí so tại sao nó có thể làm nhiều điều chỉ với rất ít các tế bào thần kinh

MỘt ý tưởng khác đó là, đa hợp theo cách khác

như đa hợp về không gian

sử dụng những phần khác của tế bào thần kinh

làm những việc khác nhau tại cùng thời điểm

Đây là hai dạng mẫu kinh điển của tế bào thần kinh

từ một loài vật có xương sống và không xương sống

một tế bào hình chóp của người từ Ramon y Cajal,

và tế bào khác bên phải, một tế bào thần kinh trung gian không thẳng đứng

đây là công trình của Alan Watson và Malcolm Burrows từ nhiều năm trước

Malcolm Burrows nảy ra ý tưởng rất thú vị

dựa trên thực tế từ tế bào thần kinh của một con châu chấu

là nó không tạo ra được những tiềm năng hành động

Vì nó là một tế bào không thẳng đứng

Vậy một tế bào điển hình giống như những tế bào thần kinh trong não chúng ta

có một vùng gọi là những nhánh sợi nhận tín hiệu cung cấp

những tín hiệu cung cấp này gộp lại

và sản sinh ra những tiềm năng hành động

chạy xuống từ sợi trục thần kinh và kích hoạt

những vùng thông tin kết quả của tế bào thần kinh

Nhưng những tế bào thần kinh không thẳng đứng thực sự rất phức tạp

vì chúng có thể chứa những khớp thần kinh tiếp nhận và khớp thần kinh kết quả

tât cả được hợp ngón và không có một tiềm năng hoạt động nào

sai khiến mọi kết quả trong cùng một thời điểm

Vậy nên có khả năng bạn có những ngăn tính toán

cho phép những phần khác nhau của tế bào thần kinh

làm những việc khác nhau tại cùng thời điểm

Và những khái niệm cơ bản về đa khả năng trong thời gian

và không gian

Tôi nghĩ những điều này cũng có thật trong não của chúng ta

Nhưng tôi nghĩ côn trùng thật sự là bậc thầy về điều này

Vậy nên tôi hy vọng bạn sẽ nghĩ về côn trùng chút ít khác biệt hơn từ nay

Và khi tôi nói trên này, xin hãy suy nghĩ trứơc khi đập chúng

Vỗ tay