Humans have long held a fascination for the human brain. We chart it, we've described it, we've drawn it, we've mapped it. Now just like the physical maps of our world that have been highly influenced by technology -- think Google Maps, think GPS -- the same thing is happening for brain mapping through transformation.
Луѓето одамна биле фасцинирани од човечкиот мозок. Сме го претставувале на график, сме го опишувале, цртале, сме го мапирале. Исто како што мапите за физичкиот свет беа зависни од развојот на технологијата -- пример Google Maps, или GPS-от -- истото се случува и со мапирањето на мозокот преку трансформација.
So let's take a look at the brain. Most people, when they first look at a fresh human brain, they say, "It doesn't look what you're typically looking at when someone shows you a brain." Typically, what you're looking at is a fixed brain. It's gray. And this outer layer, this is the vasculature, which is incredible, around a human brain. This is the blood vessels. 20 percent of the oxygen coming from your lungs, 20 percent of the blood pumped from your heart, is servicing this one organ. That's basically, if you hold two fists together, it's just slightly larger than the two fists.
Да го погледнеме мозокот. Повеќето луѓе, кога прв пат ќе видат свеж човечки мозок, велат, "Па и не личи баш на мозок". Вообичаено, навикнати сте да гледате мозок кој е сив. Овој надворешен слој, ова е васкулатурата, во човечкиот мозок. Ова се крвните садови. 20 проценти од кислородот што доаѓа од белите дробови, 20 проценти крв испумпана од срцето, служи само за овој орган. Мозокот е отприлика малку поголем од големината на две стиснати тупаници.
Scientists, sort of at the end of the 20th century, learned that they could track blood flow to map non-invasively where activity was going on in the human brain. So for example, they can see in the back part of the brain, which is just turning around there. There's the cerebellum; that's keeping you upright right now. It's keeping me standing. It's involved in coordinated movement. On the side here, this is temporal cortex. This is the area where primary auditory processing -- so you're hearing my words, you're sending it up into higher language processing centers. Towards the front of the brain is the place in which all of the more complex thought, decision making -- it's the last to mature in late adulthood. This is where all your decision-making processes are going on. It's the place where you're deciding right now you probably aren't going to order the steak for dinner.
Научниците, некаде на крајот од 20-от век, открија дека можат да го следат крвниот тек со цел да извршат не-инвазивно мапирање на мозочната активност. На пример, можат да погледнат во задниот дел од мозокот, кој што се врти кон нас. Ова е церебелумот; тој ве држи исправени во моментов. Ми овозможува да стојам. Ги овозможува координираните движења. Од страната овде, ова е темпоралниот кортекс. Ова е областа одговорна за примарна обработка на звукот -- вие ги слушате моите зборови, а потоа ги праќате во повисоките центри за јазична обработка. Кон предниот дел од мозокот се одвива посложеното размислување, донесувањето на одлуки -- тој дел созрева последен во доцната возраст. Овде се одвива целиот процес за донесување одлуки. Место каде што во моментов одлучувате дека веројатно нема да нарачате стек за вечера.
So if you take a deeper look at the brain, one of the things, if you look at it in cross-section, what you can see is that you can't really see a whole lot of structure there. But there's actually a lot of structure there. It's cells and it's wires all wired together. So about a hundred years ago, some scientists invented a stain that would stain cells. And that's shown here in the the very light blue. You can see areas where neuronal cell bodies are being stained. And what you can see is it's very non-uniform. You see a lot more structure there. So the outer part of that brain is the neocortex. It's one continuous processing unit, if you will. But you can also see things underneath there as well. And all of these blank areas are the areas in which the wires are running through. They're probably less cell dense. So there's about 86 billion neurons in our brain. And as you can see, they're very non-uniformly distributed. And how they're distributed really contributes to their underlying function. And of course, as I mentioned before, since we can now start to map brain function, we can start to tie these into the individual cells.
Доколку подлабоко погледнете во мозокот, т.е. доколку погледнете напречно, ќе видите дека нема да забележите многу структурираност. Но, всушност има многу голема структурираност. Ова се клетките и мрежи со кои меѓусебно се поврзани. Некаде пред сто години, некои научници открија дамка за боење на клетките. Тоа е прикажано овде во светло плавото. Гледате области каде нормални клеточни тела се обоени. Гледате дека е многу нееднакво. Овде се наоѓа многу поголема структурираност. Надворешниот дел од мозокот се вика неокортекс. Тој е единица за континуирана обработка на податоци. Но, исто така може да видите други нешта под него. Во сите овие бели области поминуваат жиците. Веројатно имаат помалку клетки. Има околу 86 милијарди неврони во нашиот мозок. Можете да видите, дека се многу нееднакво распространети. А, начинот на распространетост придонесува за нивната функција. Се разбира, како што спомнав, сега можеме да ја мапираме функцијата на мозокот, и можеме да ги набљудуваме индивидуалните клетки.
So let's take a deeper look. Let's look at neurons. So as I mentioned, there are 86 billion neurons. There are also these smaller cells as you'll see. These are support cells -- astrocytes glia. And the nerves themselves are the ones who are receiving input. They're storing it, they're processing it. Each neuron is connected via synapses to up to 10,000 other neurons in your brain. And each neuron itself is largely unique. The unique character of both individual neurons and neurons within a collection of the brain are driven by fundamental properties of their underlying biochemistry. These are proteins. They're proteins that are controlling things like ion channel movement. They're controlling who nervous system cells partner up with. And they're controlling basically everything that the nervous system has to do.
Да погледнеме подлабоко. Да ги погледнеме невроните. Како што спомнав, има 86 милијарди неврони. Има и помали клетки, ќе видите. Овие се подржувачки клетки - astrocytes glia. Самите неврони добиваат инпут. Го складираат и го обработуваат. Секој неврон е поврзан преку синапси со најмногу 10.000 други неврони во мозокот. Секој неврон е воглавно уникатен. Уникатниот карактер на индивидуалните неврони и невроните како дел од мозокот се детерминирани од основните карактеристики на нивната биохемија. Ова се протеини. Тие го контролираат движењето на јоните низ каналот. Тие го контролираат начинот на поврзување помеѓу нервните клетки. Исто така ги контролираат во основа сите функции на нервниот систем.
So if we zoom in to an even deeper level, all of those proteins are encoded by our genomes. We each have 23 pairs of chromosomes. We get one from mom, one from dad. And on these chromosomes are roughly 25,000 genes. They're encoded in the DNA. And the nature of a given cell driving its underlying biochemistry is dictated by which of these 25,000 genes are turned on and at what level they're turned on.
Доколку зумираме во уште подлабоко ниво, сите овие протеини се енкодирани од страна на нашиот геном. Сите ние имаме 23 пара на хромозоми. Еден хромозом добиваме од мама, друг од тато. На овие хромозоми има отприлика 25,000 гени. Тие се енкодирани во ДНК (ДезоксиРибонуклеинскаКиселина). Природата на дадена клетка и нејзината биохемија зависи од тоа кои од овие 25,000 гени се активирани и на кое ниво се активирани.
And so our project is seeking to look at this readout, understanding which of these 25,000 genes is turned on. So in order to undertake such a project, we obviously need brains. So we sent our lab technician out. We were seeking normal human brains. What we actually start with is a medical examiner's office. This a place where the dead are brought in. We are seeking normal human brains. There's a lot of criteria by which we're selecting these brains. We want to make sure that we have normal humans between the ages of 20 to 60, they died a somewhat natural death with no injury to the brain, no history of psychiatric disease, no drugs on board -- we do a toxicology workup. And we're very careful about the brains that we do take. We're also selecting for brains in which we can get the tissue, we can get consent to take the tissue within 24 hours of time of death. Because what we're trying to measure, the RNA -- which is the readout from our genes -- is very labile, and so we have to move very quickly.
Нашиот проект е да ги истражиме овие гени, и да разбереме кои од овие 25,000 гени се активирани. За да отпочнеме еден ваков проект, се разбира ни требаат мозоци. Така, ги испративме лаборантите во потрага. Баравме нормални човечки мозоци. Всушност започнуваме од медицинскиот вештак. Ова е место каде што ги носат мртвите. Баравме нормални човечки мозоци. Има многу критериуми според кои ги бираме мозоците. Сакаме да бидеме сигурни дека имаме нормални човечки мозоци со возраст од 20 до 60, дека смртта е природна и без повреда на мозокот, дека не постои психијатриска болест, ниту пак користење дрога -- спроведуваме токсиколошки тест. Многу сме внимателни какви мозоци бираме. Исто така бираме мозоци од кои со согласност, би можеле да земеме ткиво во рок од 24 часа по смртта. Се обидуваме да ја мериме РНК (РибоНуклеинскаКиселина)- преку која ги читаме нашите гени - а таа е многу нестабилна, и поради тоа мораме многу брзо да реагираме.
One side note on the collection of brains: because of the way that we collect, and because we require consent, we actually have a lot more male brains than female brains. Males are much more likely to die an accidental death in the prime of their life. And men are much more likely to have their significant other, spouse, give consent than the other way around.
Да кажам нешто за собирањето на мозоци: поради начинот на селекција, и поради тоа што бараме согласност, всушност имаме многу повеќе машки отколку женски мозоци. Многу е поголема веројатноста дека машките ќе починат во несреќа. И многу поголема е веројатноста дека нивната сопруга ќе даде согласност отколку обратно.
(Laughter)
(Смеа)
So the first thing that we do at the site of collection is we collect what's called an MR. This is magnetic resonance imaging -- MRI. It's a standard template by which we're going to hang the rest of this data. So we collect this MR. And you can think of this as our satellite view for our map. The next thing we do is we collect what's called a diffusion tensor imaging. This maps the large cabling in the brain. And again, you can think of this as almost mapping our interstate highways, if you will. The brain is removed from the skull, and then it's sliced into one-centimeter slices. And those are frozen solid, and they're shipped to Seattle. And in Seattle, we take these -- this is a whole human hemisphere -- and we put them into what's basically a glorified meat slicer. There's a blade here that's going to cut across a section of the tissue and transfer it to a microscope slide. We're going to then apply one of those stains to it, and we scan it. And then what we get is our first mapping.
Најпрвин правиме снимање со магнетна резонанца. Ова е снимањето со магнетна резонанца. Тоа е стандардната процедура за добивање податоци. Значи правиме магнетна резонанца. Замислете дека ова е сателитска снимка на нашата мапа. Потоа правиме подетални снимки. Ова ни дава слика за поврзаноста на мозокот. И повторно, замислете дека ова се нашите меѓудржавни автопати. Мозокот се отстранува од черепот, и потоа се сече во парчиња од еден сантиметар. Кои потоа се замрзнуваат, и се испраќаат во Сиетл. Во Сиетл, ги земаме овие мозочни хемисфери - ги ставаме во нешто налик на сечач за месо. Сечилото врши сечење на делови од ткивото кое потоа се става на микроскопско стакло. Потоа вршиме негово обојување со една дамка, и го скенираме. Така го добиваме првото мапирање.
So this is where experts come in and they make basic anatomic assignments. You could consider this state boundaries, if you will, those pretty broad outlines. From this, we're able to then fragment that brain into further pieces, which then we can put on a smaller cryostat. And this is just showing this here -- this frozen tissue, and it's being cut. This is 20 microns thin, so this is about a baby hair's width. And remember, it's frozen. And so you can see here, old-fashioned technology of the paintbrush being applied. We take a microscope slide. Then we very carefully melt onto the slide. This will then go onto a robot that's going to apply one of those stains to it. And our anatomists are going to go in and take a deeper look at this.
Овде експертите влегуваат во игра и ги прават основните анатомски обележувања. Замислете дека ова се државни граници, овие широки ознаки. Од ова, имаме можност да го фрагментираме мозокот во уште повеќе делови, кои можеме да ги ставиме во помал терморегулатор. Тоа го гледаме овде -- замрзнатото ткиво, кое што се сече. Ова е широко 20 микрони, како ширината на бебешка коса. Запаметете, замрзнато е. Овде гледате, застарена технологија каде што се користи четка. Земаме микроскопско стакло. И го прилепуваме врз ткивото. Ова потоа влегува во робот кој ќе изврши примена на една од дамките. Потоа нашите анатоми подлабоко ќе го разгледаат ова.
So again this is what they can see under the microscope. You can see collections and configurations of large and small cells in clusters and various places. And from there it's routine. They understand where to make these assignments. And they can make basically what's a reference atlas. This is a more detailed map.
Повторно, ова е она што тие гледаат под микроскопот. Гледате збирови и конфигурации на мали и големи клетки во кластери низ различни локации. Од овде па натаму сè е рутина. Откриваат каде да ги направат обележувањата. Во основа, на крај се добива референтен атлас. Ова е подетална мапа.
Our scientists then use this to go back to another piece of that tissue and do what's called laser scanning microdissection. So the technician takes the instructions. They scribe along a place there. And then the laser actually cuts. You can see that blue dot there cutting. And that tissue falls off. You can see on the microscope slide here, that's what's happening in real time. There's a container underneath that's collecting that tissue. We take that tissue, we purify the RNA out of it using some basic technology, and then we put a florescent tag on it. We take that tagged material and we put it on to something called a microarray.
Нашите научници го користат ова за да се вратат на друго парче од тоа ткиво и да направат т.н. ласерска микродисекција. Техничарот ги добива инструкциите. Означуваат место. Потоа ласерот врши сечење. Можете да ја видите плавата точка како сече. И ткивото отпаѓа. Овде на микроскопското стакло може да видите, како изгледа во реалност. Одоздола има контејнер во кој што се собира тоа ткиво. Го земаме тоа ткиво, ја прочистуваме РНК од него со користење на едноставна технологија, и потоа ставаме флуоресцентен маркер на него. Го земаме маркираниот материјал и го ставаме во т.н. микроред.
Now this may look like a bunch of dots to you, but each one of these individual dots is actually a unique piece of the human genome that we spotted down on glass. This has roughly 60,000 elements on it, so we repeatedly measure various genes of the 25,000 genes in the genome. And when we take a sample and we hybridize it to it, we get a unique fingerprint, if you will, quantitatively of what genes are turned on in that sample.
Ова можеби ви изгледа како еден куп точки, но секоја од овие поединечни точки е всушност уникатно парче од човечкиот геном кое што е забележано на стаклото. Ова содржи отприлика 60,000 елементи, значи вршиме повторени мерења на различните гени од 25-те илјади гени во човечкиот геном. Откако ќе земаме примерок и ќе го хибридизираме со микроредот, од тоа добиваме уникатен отпечаток, кој ни кажува кои гени се активирани во тој примерок.
Now we do this over and over again, this process for any given brain. We're taking over a thousand samples for each brain. This area shown here is an area called the hippocampus. It's involved in learning and memory. And it contributes to about 70 samples of those thousand samples. So each sample gets us about 50,000 data points with repeat measurements, a thousand samples.
Ова го повторуваме повеќе пати, за секој даден мозок. Земаме преку илјада примероци од секој мозок. Оваа област овде се вика хипокампус. Одговорна е за учењето и памтењето. И таа учествува со околу 70 примероци од тие илјада примероци. Секој примерок ни дава околу 50,000 единици на податоци кое што кога ќе го помножиме со илјада,
So roughly, we have 50 million data points for a given human brain. We've done right now two human brains-worth of data. We've put all of that together into one thing, and I'll show you what that synthesis looks like. It's basically a large data set of information that's all freely available to any scientist around the world. They don't even have to log in to come use this tool, mine this data, find interesting things out with this. So here's the modalities that we put together. You'll start to recognize these things from what we've collected before. Here's the MR. It provides the framework. There's an operator side on the right that allows you to turn, it allows you to zoom in, it allows you to highlight individual structures.
ќе добиеме 50 милиони единици на податоци за секој даден човечки мозок. Досега имаме обработено два човечки мозоци. Тоа го синтетизиравме во една целина, и сега ќе ви покажам како изгледа тоа. Во основа тоа се голем број податоци слободно достапни за секој научник во светот. Дури не мора да се логираат за да ја користат оваа алатка, да ги анализираат податоците и да откријат интересни работи. Еве ги деловите што ги составивме. Ќе ги препознаете овие работи врз основа на она што го видовте претходно. Еве ја магнетната резонанца. Ја дава рамката. Од десно е местото за оперирање кое ви овозможува да ротирате, да зумирате, ви овозможува да ги означите поединечните структури.
But most importantly, we're now mapping into this anatomic framework, which is a common framework for people to understand where genes are turned on. So the red levels are where a gene is turned on to a great degree. Green is the sort of cool areas where it's not turned on. And each gene gives us a fingerprint. And remember that we've assayed all the 25,000 genes in the genome and have all of that data available.
Но најважно, сега ја мапираме анатомската рамка, која ви овозможува да разберете каде се активирани гените. Црвените нивоа се места каде генот е активиран во голем степен. Зеленото се области каде што не е активиран. Секој ген ни дава отпечаток. Ги анализиравме сите 25,000 гени од геномот и сите тие податоци ни се достапни.
So what can scientists learn about this data? We're just starting to look at this data ourselves. There's some basic things that you would want to understand. Two great examples are drugs, Prozac and Wellbutrin. These are commonly prescribed antidepressants. Now remember, we're assaying genes. Genes send the instructions to make proteins. Proteins are targets for drugs. So drugs bind to proteins and either turn them off, etc. So if you want to understand the action of drugs, you want to understand how they're acting in the ways you want them to, and also in the ways you don't want them to. In the side effect profile, etc., you want to see where those genes are turned on. And for the first time, we can actually do that. We can do that in multiple individuals that we've assayed too.
Што можат да научат научниците од овие податоци? Туку што почнуваме да ги разгледуваме податоците. Има некои едноставни работи за кои ќе сакате да слушнете. Два одлични примера се лековите, Прозак и Велбутрин. Ова се антидепресиви кои често се препишуваат. Како што знаете ние ги анализираме гените. Гените испраќаат наредби за правење на протеини. Протеините се цел на лековите. Лековите се врзуваат за протеините и ги активираат или деактивираат, итн. Ако сакате да го разберете влијанието на лековите, тогаш треба да разберете како влијаат на пожелен начин и исто, така на начин кој е непожелен. Во делот за нус-појави, итн., ќе сакате да видите каде се активирани тие гени. За прв пат, можеме да го направиме тоа. Можеме да го постигнеме тоа кај повеќе индивидуи што ги анализиравме.
So now we can look throughout the brain. We can see this unique fingerprint. And we get confirmation. We get confirmation that, indeed, the gene is turned on -- for something like Prozac, in serotonergic structures, things that are already known be affected -- but we also get to see the whole thing. We also get to see areas that no one has ever looked at before, and we see these genes turned on there. It's as interesting a side effect as it could be. One other thing you can do with such a thing is you can, because it's a pattern matching exercise, because there's unique fingerprint, we can actually scan through the entire genome and find other proteins that show a similar fingerprint. So if you're in drug discovery, for example, you can go through an entire listing of what the genome has on offer to find perhaps better drug targets and optimize.
Сега можеме да гледаме во мозокот. Можеме да го видиме уникатниот отпечаток. И добиваме потврда. Добиваме потврда дека, навистина генот е активиран -- за Прозак, во серотонинските структури, за кои се знаеше дека се засегнати -- но исто така добиваме поглед кон целината. Исто така можеме да видиме области кои што досега никој не ги забележуваше, и гледаме дека овие гени се активирани таму. Најинтересната нус-појава до сега. Друго што можете да правите, бидејќи ова е вежба за откривање на шеми, и бидејќи барате уникатен отпечаток, е дека всушност можете да го скенирате целиот геном и да ги најдете другите протеини кои покажуваат сличен отпечаток. На пример, доколку истражувате лекови, можете да разгледате што нуди геномот со цел подобро да го насочите лекот и со тоа да го подобрите.
Most of you are probably familiar with genome-wide association studies in the form of people covering in the news saying, "Scientists have recently discovered the gene or genes which affect X." And so these kinds of studies are routinely published by scientists and they're great. They analyze large populations. They look at their entire genomes, and they try to find hot spots of activity that are linked causally to genes. But what you get out of such an exercise is simply a list of genes. It tells you the what, but it doesn't tell you the where. And so it's very important for those researchers that we've created this resource. Now they can come in and they can start to get clues about activity. They can start to look at common pathways -- other things that they simply haven't been able to do before.
Повеќето од вас се запознаени со геномските истражувања презентирани во вестите, каде велат, "Научниците неодамна го открија генот или гените што влијаат врз X." Ваков вид на истражувања научниците рутински објавуваат и тие се супер. Анализираат големи популации. Ги земаат во предвид целите геноми, и се обидуваат да ги најдат местата на активност кои се поврзани каузално со гените. Но, овие истражувања едноставно ви даваат листа на гени. Ви кажуваат што, но не ви кажуваат каде. За овие истражувачи е многу важно тоа што го создадовме овој извор. Сега можат да го користат и да почнат да дознаваат за мозочната активност. Можат да почнат да ги бараат заедничките обрасци -- на начин на кој не можеа порано.
So I think this audience in particular can understand the importance of individuality. And I think every human, we all have different genetic backgrounds, we all have lived separate lives. But the fact is our genomes are greater than 99 percent similar. We're similar at the genetic level. And what we're finding is actually, even at the brain biochemical level, we are quite similar. And so this shows it's not 99 percent, but it's roughly 90 percent correspondence at a reasonable cutoff, so everything in the cloud is roughly correlated. And then we find some outliers, some things that lie beyond the cloud. And those genes are interesting, but they're very subtle. So I think it's an important message to take home today that even though we celebrate all of our differences, we are quite similar even at the brain level.
Мислам дека особено оваа публика може да ја разбере важноста на индивидуалноста. Мислам дека секој човек, сите ние имаме различно генетско потекло, сите сме живееле различни животи. Но факт е дека нашите геноми се повеќе од 99 проценти слични. Ние сме слични на генетско ниво. Откривме дека дури и на мозочно биохемиско ниво, ние сме прилично слични. Ова покажува дека не е 99 проценти, туку отприлика 90 процентна соодветност на разумно статистичко ниво, значи сè во облакот е отприлика во корелација. Можеме да видиме некои точки кои се наоѓаат надвор од облакот. Тие гени се интересни, но и многу суптилни. Мислам дека важна поука што треба да ја однесете дома е дека и покрај тоа што ги славиме нашите разлики, ние сме прилично слични дури и на мозочно ниво.
Now what do those differences look like? This is an example of a study that we did to follow up and see what exactly those differences were -- and they're quite subtle. These are things where genes are turned on in an individual cell type. These are two genes that we found as good examples. One is called RELN -- it's involved in early developmental cues. DISC1 is a gene that's deleted in schizophrenia. These aren't schizophrenic individuals, but they do show some population variation. And so what you're looking at here in donor one and donor four, which are the exceptions to the other two, that genes are being turned on in a very specific subset of cells. It's this dark purple precipitate within the cell that's telling us a gene is turned on there. Whether or not that's due to an individual's genetic background or their experiences, we don't know. Those kinds of studies require much larger populations.
Како изгледаат тие разлики? Ова е дел од истражувањето што го направивме со цел да видиме како поточно изгледаат тие разлики -- и тие се прилично мали. Ова се нешта каде што гените се активирани во индивидуална клетка. Ова се два гени за кои сметаме дека се добри примери. Едниот се вика RELN -- одговорен е за раните развојни знаци. DISC1 е ген кој недостасува во шизофренијата. Овие не се шизофрени индивидуи, но тие покажуваат одредена популациска варијација. Она што гледате овде кај првиот и четвртиот донор, кои што се исклучоци од другите двајца, е дека гените се активирани во многу специфичен збир на клетки. Овој темно лилјаков талог во клетката ни кажува дека таму е активиран ген. Дали е тоа поради индивидуалното генетско потекло или нивното искуство, не знаеме. Ваквиот вид на истражувања имаат потреба од поголеми популации.
So I'm going to leave you with a final note about the complexity of the brain and how much more we have to go. I think these resources are incredibly valuable. They give researchers a handle on where to go. But we only looked at a handful of individuals at this point. We're certainly going to be looking at more. I'll just close by saying that the tools are there, and this is truly an unexplored, undiscovered continent. This is the new frontier, if you will. And so for those who are undaunted, but humbled by the complexity of the brain, the future awaits.
Ќе завршам со последна забелешка за сложеноста на мозокот и за тоа уште колку имаме за работа. Мислам дека овие извори се неверојатно вредни. Тие им даваат патоказ на истражувачите каде да се движат. Но, досега испитавме многу мал број индивидуи. Со сигурност ќе испитаме повеќе. За крај ќе кажам дека алатките се овде, и ова е навистина неистражен и неоткриен континент. Ова е новата граница. Оние кои се бестрашни, но понизни пред сложеноста на мозокот, имаат иднина пред себе.
Thanks.
Благодарам.
(Applause)
(Аплауз)