Think about your day for a second. You woke up, felt fresh air on your face as you walked out the door, encountered new colleagues and had great discussions and felt in awe when you found something new. But I bet there's something you didn't think about today, something so close to home, you probably don't think about it very often at all. And that's that all those sensations, feelings, decisions and actions are mediated by the computer in your head called your brain.
皆さんの日常について 考えてみてください 起床し 外に出て 清々しい風を感じ 新しい同僚と良い議論をし 新しい発見に 感動するでしょう でもたぶん気にも留めなかったこと があるはずです 実に当たり前すぎて 普段はまったく 意識されないことです それは感覚や感情 決断や行動などは 頭の中にあって 脳と呼ばれるコンピュータが 仕切っているということです
Now, the brain may not look like much from the outside -- a couple pounds of pinkish-gray flesh, amorphous. But the last 100 years of neuroscience have allowed us to zoom in on the brain and to see the intricacy of what lies within. And they've told us that this brain is an incredibly complicated circuit made out of hundreds of billions of cells called neurons. Now, unlike a human-designed computer, where there's a fairly small number of different parts, and we know how they work because we humans designed them, the brain is made out of thousands of different kinds of cells, maybe tens of thousands. They come in different shapes; they're made out of different molecules; they project and connect to different brain regions. They also change in different ways in different disease states.
外見上 脳は 大したものには見えません 1.3kg 程度のピンクがかった灰色の 不定形の臓器なのですが 過去百年の神経科学の発展により 脳を詳細に観察できるようになり その複雑さを研究できるようになりました その結果 脳は 数千億の ニューロンと呼ばれる細胞が織りなす 複雑な回路から成っていることが 分かりました 人間が設計したコンピュータは 部品の種類は少ないのですが これは我々が設計したので 仕組みは分かっていますが— 脳は数千種類の 多様な細胞から出来ています 数万種類かもしれません 形も違っていますし 構成する分子も違います それぞれが様々な 脳部位へと繋がっています また様々な病気で 様々に変化します
Let's make it concrete. There's a class of cells, a fairly small cell, an inhibitory cell, that quiets its neighbors. It's one of the cells that seems to be atrophied in disorders like schizophrenia. It's called the basket cell. And this cell is one of the thousands of kinds of cell that we're learning about. New ones are being discovered every day. As just a second example: these pyramidal cells, large cells, can span a significant fraction of the brain. They're excitatory. And these are some of the cells that might be overactive in disorders such as epilepsy. Every one of these cells is an incredible electrical device. They receive inputs from thousands of upstream partners and compute their own electrical outputs, which then, if they pass a certain threshold, will go to thousands of downstream partners. And this process, which takes just a millisecond or so, happens thousands of times a minute in every one of your 100 billion cells, as long as you live and think and feel.
具体的にお話ししましょう 近隣細胞を不活性化する 抑制細胞という比較的 小さな細胞があります これは統合失調症などで 萎縮が見られる細胞です 籠細胞と呼ばれます 我々が研究している数千種類の 細胞の内の一つです 新種の細胞が日々発見されています もう一つ 例として この大きな錐体細胞は 多くの脳部位に存在しています これは興奮性の細胞であり てんかんなどで 活動過剰になっていると 思われる細胞の一つです これらの細胞一つ一つが 驚くべき電気装置なのです 数千個の上流の細胞から 入力を受け取り 自身の電気出力を計算し それが一定の閾値を 超えている場合 数千個の下流の細胞へ 出力します 1ミリ秒ほどで起きるこの過程は 1千億個の細胞全てで 毎分何千回も繰り返されます
So how are we going to figure out what this circuit does? Ideally, we could go through this circuit and turn these different kinds of cell on and off and see whether we could figure out which ones contribute to certain functions and which ones go wrong in certain pathologies. If we could activate cells, we could see what powers they can unleash, what they can initiate and sustain. If we could turn them off, then we could try and figure out what they're necessary for. And that's the story I'm going to tell you about today. And honestly, where we've gone through over the last 11 years, through an attempt to find ways of turning circuits and cells and parts and pathways of the brain on and off, both to understand the science and also to confront some of the issues that face us all as humans.
どうしたらこの回路の働きを 解明できるでしょう? 理想は 回路を構成している 全細胞をオンオフして どの種類の細胞が どの機能に寄与しているかとか どの病態でおかしくなるか 調べていくことです 細胞を活性化できれば それが何を引き起こし 何を維持するか 調べられます 不活性化できれば それが何に必要な細胞か 分かります これが本日 私がお話しする内容です 我々はこれまでの 11 年間 脳の回路 細胞 脳の部分 神経経路を オンオフする方法を 模索してきました 科学を理解するため また人間として我々が直面する 数々の問題に立ち向かうためにです
Now, before I tell you about the technology, the bad news is that a significant fraction of us in this room, if we live long enough, will encounter, perhaps, a brain disorder. Already, a billion people have had some kind of brain disorder that incapacitates them. The numbers don't do it justice, though. These disorders -- schizophrenia, Alzheimer's, depression, addiction -- they not only steal away our time to live, they change who we are. They take our identity and change our emotions and change who we are as people.
技術的なお話をする前に 一言 残念なことに 長生きしていくと 我々はかなりの割合で 脳疾患に罹ります 既に十億人が機能障害を及ぼす 脳疾患に罹っています この数字だけでは 実態を伝えるには不十分です 統合失調症 アルツハイマー病 うつ 依存症などの障害は 我々の寿命を削るだけでなく 我々自身を変容させます 自己同一性を奪い 感情を変え 人間としての我々を変えます
Now, in the 20th century, there was some hope that was generated through the development of pharmaceuticals for treating brain disorders. And while many drugs have been developed that can alleviate symptoms of brain disorders, practically none of them can be considered to be cured. In part, that's because, if you think about it, we're bathing the brain in a chemical -- this elaborate circuit, made of thousands of different kinds of cell -- is being bathed in a substance. That's also why most of the drugs, not all, on the market can present some kind of serious side effect too.
20 世紀には 脳障害を治療する 薬剤の開発がずいぶん 期待されたものでした 脳障害の症状を緩和する たくさんの治療薬が 開発される一方 完治できる薬は 実際上できませんでした その理由の一つは 脳が化学物質に 浸かっているためです 数千種類の細胞からなる 脳の精巧な回路は 化学物質に浸っています 全てではないけれど 市販のほとんどの薬が 深刻な副作用を 引き起こす理由でしょう
Now some people have gotten some solace from electrical stimulators that are implanted in the brain, for Parkinson's disease or cochlear implants. These have indeed been able to bring some kind of remedy to people with certain kinds of disorders. But electricity also will go in all directions -- the path of least resistance -- which is where that phrase, in part, comes from, and will also affect normal circuits, as well as the abnormal ones you want to fix. So again, we're sent back to the idea of ultraprecise control: Could we dial in information precisely where we want it to go?
パーキンソン病と 人工内耳に関しては 脳に埋め込んだ電気刺激器で ある程度助かっている人もいます この電気刺激機器が ある種の障害に対する 助けとなってきました しかし電流は全方向へ流れます 最も抵抗の低い経路を— この言い方は「一番楽な道」の意味でも 使われていますね 従って電気刺激は治したい異常回路と 正常な回路 両方に影響します そうして再び我々は 超精密制御の考えに戻るのです 信号を思い通りに制御できるのか?
So, when I started in neuroscience 11 years ago -- I had trained as an electrical engineer and a physicist -- the first thing I thought about was, if these neurons are electrical devices, all we need to do is to find some way of driving those electrical changes at a distance. If we could turn on the electricity in one cell but not its neighbors, that'd give us the tool to activate and shut down these different cells to figure out what they do and how they contribute to the networks in which they're embedded. It would also allow us to have the ultraprecise control we need to fix the circuit computations that have gone awry.
11 年前に神経科学を始めたとき 私は電気工学と物理が 専門だったので 最初に考えたことは ニューロンが電気装置ならば その電気的変化を 遠隔操作する方法を 見つければよいということでした もし隣接する細胞を 発火させずに 一つの細胞だけを 発火させられたら 様々な細胞を活性化および 抑制するツールが得られ 個々が何をし そのネットワーク上での 役割が分かります また同時に正常な計算が できなくなった回路を 元通りにするための 超精密制御が可能となります
Now, how are we going to do that? Well, there are many molecules that exist in nature which are able to convert light into electricity. You can think of them as little proteins that are like solar cells. If we install these molecules in neurons somehow, then these neurons would become electrically drivable with light, and their neighbors, which don't have this molecule, would not. There's one other magic trick you need to make this happen: the ability to get light into the brain. The brain doesn't feel pain. Taking advantage of all the effort that's gone into the internet, telecommunications, etc., you can put optical fibers connected to lasers to activate -- in animal models, for example, in preclinical studies -- these neurons and see what they do.
どうしたら実現できるでしょう? 自然界には光を電気へと 変換できる分子が 多数存在しています 太陽電池のように働く 小さなタンパク質だと考えてください この分子をどうにかして ニューロンに導入できれば そのニューロンは光刺激で 活性化させられます この分子を持たない隣接細胞は 反応しません これを可能にするには 更に 脳内に光刺激を届けるための 工夫が必要です そのために 痛覚のない脳に インターネットや通信技術などの 成果である光ファイバーを挿入します 光ファイバーにニューロンを 活性化させるためのレーザーを接続し 動物を使った前臨床実験で ニューロンの振る舞いを観察します
So how do we do this? Around 2004, in collaboration with Georg Nagel and Karl Deisseroth, this vision came to fruition. There's a certain alga that swims in the wild, and it needs to navigate towards light in order to photosynthesize optimally. And it senses light with a little eyespot, which works not unlike how our eye works. In its membrane, or its boundary, it contains little proteins that indeed can convert light into electricity. These molecules are called channelrhodopsins. And each of these proteins acts just like that solar cell that I told you about. When blue light hits it, it opens a little hole and allows charged particles to enter the eyespot; that allows this eyespot to have an electrical signal, just like a solar cell charging a battery.
これはどうやるのでしょうか? 2004 年頃にゲオルグ・ナゲルと カール・ダイセロスと共同して この構想は実現しました 野性の藻には 光合成を最適化するために 光へ向かって移動するものが存在します 我々の目と大きく異ならない仕組みの 小さな眼点で光を感知します その細胞膜には 光を電気へと変換できる いくつかの小さなタンパク質が 含まれています これらはチャネルロドプシンと呼ばれます これらのタンパク質は 先ほど触れた太陽電池のように 振る舞います 青い光で刺激されると 細胞膜に小さな穴を開き 荷電粒子を眼点内へ取り込みます それによって太陽電池が 充電するのと同様に 眼点は電気信号を発します
So what we need to do is take these molecules and somehow install them in neurons. And because it's a protein, it's encoded for in the DNA of this organism. So all we've got to do is take that DNA, put it into a gene therapy vector, like a virus, and put it into neurons. And this was a very productive time in gene therapy, and lots of viruses were coming along, so this turned out to be fairly simple. Early in the morning one day in the summer of 2004, we gave it a try, and it worked on the first try. You take this DNA and put it into the neuron. The neuron uses its natural protein-making machinery to fabricate these little light-sensitive proteins and install them all over the cell, like putting solar panels on a roof. And the next thing you know, you have a neuron which can be activated with light. So this is very powerful.
我々がしなければならないのは この分子をニューロンへ 導入することでした それはタンパク質なので その藻の DNA 内にコードされています あとはその DNA を使って ウイルス様の遺伝子治療用ベクターに 組み込み ニューロンに導入すれば良いだけです これは遺伝子治療が 大いに進んだ時期で たくさんのウイルスが 入手可能であり やってみると簡単なことでした 2004 年の夏のある朝に実験し 最初の試行で成功しました この DNA をニューロンに 導入するのです ニューロン自身のタンパク質合成装置が 光感受性タンパク質を組み立て ソーラーパネルを設置するが如く 細胞中に据え付けます すると 光刺激で活性化できるニューロンの 出来上がりです これは非常に強力です
One of the tricks you have to do is figure out how to deliver these genes to the cells you want and not all the other neighbors. And you can do that; you can tweak the viruses so they hit some cells and not others. And there's other genetic tricks you can play in order to get light-activated cells. This field has now come to be known as "optogenetics." And just as one example of the kind of thing you can do, you can take a complex network, use one of these viruses to deliver the gene just to one kind of cell in this dense network. And then when you shine light on the entire network, just that cell type will be activated.
ここで工夫が必要なのは 隣接細胞ではなく目的の細胞だけに この遺伝子を導入する方法です これは可能です まずウィルスを 特定の細胞にだけ 取り付くよう改造します 光で活性化する細胞を作るための 遺伝子の工夫はまだあります この分野は光遺伝学として 知られるようになりました その一例として複雑なネットワークを 取り上げてみます 高密度なネットワークに存在する 一種類の細胞にだけ ウィルスを用いて 遺伝子を導入できます そしてネットワーク全体に対して 光を照らすと その種類の細胞だけが 活性化します
For example, let's consider that basket cell I told you about earlier, the one that's atrophied in schizophrenia and the one that is inhibitory. If we can deliver that gene to these cells -- they won't be altered by the expression of the gene, of course -- then flash blue light over the entire brain network, just these cells are going to be driven. And when the light turns off, these cells go back to normal; there don't seem to be adverse events. Not only can you study what these cells do, what their power is in computing in the brain, you can also use this to try to figure out if we could jazz up the activity of these cells if indeed, they're atrophied.
例えば先ほどの籠細胞を 取り上げてみましょう 統合失調症において 萎縮してしまう 抑制系の細胞です 先の遺伝子を導入し 発現させても この細胞の表現型は 変化しません 脳のネットワーク全体に 青い光を照射して この細胞だけを活性化できます 照射を止めれば細胞は 正常状態に戻ります 特に悪影響もないように見えます この技術を用いれば細胞の働きや 脳全体における役割だけでなく 例えば 籠細胞の働きを活性化して― 実際に籠細胞は萎縮しているのですが その影響を見られます
I want to tell you some short stories about how we're using this both at the scientific clinical and preclinical levels. One of the questions that we've confronted is: What signals in the brain mediate the sensation of reward? Because if you could find those, those would be some of the signals that could drive learning; the brain will do more of what got that reward. These are also signals that go awry in disorders such as addiction. So if we could figure out what cells they are, we could maybe find new targets for which drugs can be designed or screened against or maybe places where electrodes could be put in for people who have severe disability. To do that, we came up with a very simple paradigm in collaboration with the Fiorillo group, where, if the animal goes to one side of this little box, it gets a pulse of light. And we'll make different cells in the brain sensitive to light. If these cells can mediate reward, the animal should go there more and more. And that's what happens.
では我々がこの技術を 科学的な 臨床/前臨床 それぞれの段階で どう利用しているか お話ししたいと思います 我々が取り組んだ問題の一つは 報酬という感覚を脳内で媒介する信号は 何かというものです なぜならこれを発見できれば 学習を促進する信号に 成り得るからです 脳は報酬を得たことを より実行します またその信号は依存症などの障害で 異常になります 従ってどの細胞かを解明できれば 薬の設計やスクリーニングに有効な 新たな創薬ターゲットの発見や 重症患者に対する 適切な電極刺激部位の同定に 繋がるかもしれません そのために我々はフィオリログループと共同で ある単純なパラダイムを作りました この小さな箱の一方に 動物が移動すると 光のパルスが照射されるようにしました 異なる細胞を 光に感受性を持つようにしました その細胞が報酬を媒介している場合 動物は光が照射される方へ頻繁に行くはずです そしてその通りの結果が出ました
The animal goes to the right-hand side and pokes his nose there and gets a flash of blue light every time he does it. He'll do that hundreds of times. These are the dopamine neurons, in some of the pleasure centers in the brain. We've shown that a brief activation of these is enough to drive learning. Now we can generalize the idea. Instead of one point in the brain, we can devise devices that span the brain, that can deliver light into three-dimensional patterns -- arrays of optical fibers, each coupled to its own independent miniature light source. Then we can try to do things in vivo that have only been done to date in a dish, like high-throughput screening throughout the entire brain for the signals that can cause certain things to happen or that could be good clinical targets for treating brain disorders.
この動物が右側の穴を鼻で突くと その度に青い光が照射されるようにしました 彼は何百回とこれを繰り返します これらはドーパミンニューロンによるものです 快楽に関わる物質として ご存じの方もいるでしょう 学習を促進するにはこれを短時間だけ 活性化すればよいことが分かりました 次に このアイデアを拡張し 脳の一点だけでなく 脳全体に対して立体的に光を照射できる 機器を用意します 独立した小型の光源に接続した 並列光ファイバーを用います これによって培養皿でしか 出来なかったことを 生体で実験できます 例えば特定の現象を引き起こす信号や 脳障害の治療ターゲットの探索にも スクリーニングを脳全体に対して 高速に実施できます
One story I want to tell you about is: How can we find targets for treating post-traumatic stress disorder, a form of uncontrolled anxiety and fear? One of the things that we did was to adopt a very classical model of fear. This goes back to the Pavlovian days. It's called Pavlovian fear conditioning, where a tone ends with a brief shock. The shock isn't painful, but it's a little annoying. And over time -- in this case, a mouse, which is a good animal model, commonly used in such experiments -- the animal learns to fear the tone. It will react by freezing, sort of like a deer in the headlights. Now the question is: What targets in the brain can we find that allow us to overcome this fear? So we play that tone again, after it's been associated with fear. But we activate different targets in the brain, using that optical fiber array I showed on the previous slide, in order to try and figure out which targets can cause the brain to overcome that memory of fear.
制御不能な不安や恐怖を示す PTSD の治療ターゲットを どう探すかについて 一つお話ししたいと思います 我々が試したことの一つは 恐怖の古典的モデルを取り入れることでした それはパブロフの時代まで遡ります これはパブロフの恐怖条件付けと呼ばれ 音の呈示後に電気ショックをあたえるものでした 痛くはありませんが 少し不快なものでした こういった実験でよく用いられる マウスで繰り返し実験したところ 音を怖がるよう条件付けられました 動物は反射的にこわばります ヘッドライトに照らされたときのシカと同じです ここでの問題は この恐怖を克服するための何かは 脳のどこで見つけられるか ということです 何をするかというと 恐怖と条件付けた音を鳴らします ただその時に 先ほどお見せした 光ファイバーを用いて いろいろな脳部位を活性化させ 恐怖の記憶を克服するためには どの脳部位が働くのかを調べます
This brief video shows you one of these targets that we're working on now. This is an area in the prefrontal cortex, a region where we can use cognition to try to overcome aversive emotional states. The animal hears a tone. A flash of light occurs. There's no audio, but you see that the animal freezes -- the tone used to mean bad news. There's a little clock in the lower left-hand corner. You can see the animal is about two minutes into this. This next clip is just eight minutes later. And the same tone is going to play, and the light is going to flash again. OK, there it goes. Right ... now. And now you can see, just 10 minutes into the experiment, that we've equipped the brain, by photoactivating this area, to overcome the expression of this fear memory.
この簡単なビデオで 我々が取り組んでいる ターゲットの一つをお見せします 前頭前野のある領域で 嫌感情を認知で克服しようとする時に 活動する脳部位です 動物は音を聴き そこで光の照射を受けます 音声は入っていませんが 動物が硬直しているのは確認できます 音は悪い知らせとして使われます 左下の時計を見ると 実験が始まって2分が 過ぎたことが分かります 次のシーンは 8分後のものです 同じ音刺激が与えられ 光が照射されます 光ります 今です ご覧の通り 10 分の実験で 我々はこの部位を光で 活性化させ 恐怖の記憶を克服させることが 出来ました
Over the last couple years, we've gone back to the tree of life, because we wanted to find ways to turn circuits in the brain off. If we could do that, this could be extremely powerful. If you can delete cells for a few milliseconds or seconds, you can figure out what role they play in the circuits in which they're embedded. We surveyed organisms from all over the tree of life -- every kingdom of life but animals; we see slightly differently. We found molecules called halorhodopsins or archaerhodopsins, that respond to green and yellow light. And they do the opposite of the molecule I told you about before, with the blue light activator, channelrhodopsin.
我々はこの数年間 生命の樹を振り返っていました 脳内の回路をオフにする方法を 探していたのです 実現すれば 極めて有効な 手段となります 数ミリ秒あるいは数秒でも 細胞の活動を止めることができれば その回路における 役割を解明できます 我々は生命の樹全体の生物を調べ 動物以外の界は若干 異なることが分かりました また緑と黄色の光に反応する ハロロドプシン または古細菌ロドプシンと呼ばれる 分子を見つけました これらは先に述べた 青い光に反応する チャネルロドプシンとは 逆のことをします
Let's give an example of where we think this is going to go. Consider, for example, a condition like epilepsy, where the brain is overactive. Now, if drugs fail in epileptic treatment, one of the strategies is to remove part of the brain, but that's irreversible, and there could be side effects. What if we could just turn off that brain for the brief amount of time until the seizure dies away, and cause the brain to be restored to its initial state, like a dynamical system that's being coaxed down into a stable state? This animation tries to explain this concept where we made these cells sensitive to being turned off with light, and we beam light in, and just for the time it takes to shut down a seizure, we're hoping to be able to turn it off. We don't have data to show you on this front, but we're very excited about this.
これらを上手く利用できる例を挙げます 脳が過剰に活動している てんかんの症状を例に 取ってみましょう てんかん治療で薬が 有効でなかった場合 脳の一部を除去するという 手段がありますが それは不可逆的で 副作用の出る可能性もあります もし発作が止まるまで 一時的に脳を停止できたとしたら どうでしょう 力学において動的な系を 安定状態に移行させるように 脳を初期状態に戻すのです こちらのアニメーションは その概念の説明です 光刺激によって オフに出来る細胞を作り 光を照射し 発作を鎮めるのにかかる時間だけ 活動を停止させられたらと 考えています この最新の研究について お見せできるデータはありません 張り切って取り組んでいるところです
I want to close on one story, which we think is another possibility, which is that maybe these molecules, if you can do ultraprecise control, can be used in the brain itself to make a new kind of prosthetic, an optical prosthetic. I already told you that electrical stimulators are not uncommon. Seventy-five thousand people have Parkinson's deep-brain stimulators implanted, maybe 100,000 people have cochlear implants, which allow them to hear. Another thing -- you've got to get these genes into cells. A new hope in gene therapy has been developed, because viruses like the adeno-associated virus -- which probably most of us around this room have; it doesn't have any symptoms -- have been used in hundreds of patients to deliver genes into the brain or the body. And so far, there have not been serious adverse events associated with the virus.
もう一つの展望として 注目したいのが 超精密制御でこの分子を 脳自体に用いることが出来れば 新たな補装具 光学式補装具が 出来ると考えています 電気刺激機器が珍しくないことは 既にお話ししました 7万5千人のパーキンソン病患者が 電気刺激機器を脳内移植しており 補聴器としておそらく 10 万人以上が 人工内耳を移植しています もう一つは遺伝子を細胞に 導入する必要があるということです 遺伝子治療における新たな期待として アデノウィルスが開発され― ここにいる全員が保有しているであろう ウイルスですが 何の症状ももたらしません― これが脳や体に遺伝子を導入するために 百人以上の患者で用いられてきました これまでこのウィルスによる悪影響は 報告されていません
There's one last elephant in the room: the proteins themselves, which come from algae, bacteria and funguses and all over the tree of life. Most of us don't have funguses or algae in our brains, so what will our brain do if we put that in? Will the cells tolerate it? Will the immune system react? It's early -- these haven't been done in humans yet -- but we're working on a variety of studies to examine this. So far, we haven't seen overt reactions of any severity to these molecules or to the illumination of the brain with light. So it's early days, to be upfront, but we're excited about it.
まだ誰も触れていない大問題として 藻 バクテリア 菌類など 系統樹のあちこちからの タンパク質が問題です 我々は通常脳に菌類や藻類を 持っていませんが それを導入したら 我々の脳はどうなるでしょう? 許容するでしょうか? 免疫系が反応するでしょうか? まだ人間では実験されていませんが 我々は数々の研究に着手しており これを検証しようとしています まだこれらの分子や 脳の光刺激について どのような悪影響も 観察されていません 正直 まだ初期段階ですが 我々は興奮しています
I wanted to close with one story, which we think could potentially be a clinical application. Now, there are many forms of blindness where the photoreceptors -- light sensors in the back of our eye -- are gone. And the retina is a complex structure. Let's zoom in on it so we can see it in more detail. The photoreceptor cells are shown here at the top. The signals that are detected by the photoreceptors are transformed via various computations until finally, the layer of cells at the bottom, the ganglion cells, relay the information to the brain, where we see that as perception. In many forms of blindness, like retinitis pigmentosa or macular degeneration, the photoreceptor cells have atrophied or been destroyed. Now, how could you repair this? It's not even clear that a drug could cause this to be restored, since there's nothing for the drug to bind to. On the other hand, light can still get into the eye. The eye is still transparent and you can get light in. So what if we could take these channelrhodopsins and other molecules and install them on some of these other spared cells and convert them into little cameras? And because there are so many of these cells in the eye, potentially, they could be very high-resolution cameras.
最後に 臨床に応用できる可能性があると思われるお話で 締めたいと思います 失明にはいくつもの形態があります 我々の目の奥にある 光受容体が無くなってしまうのです 網膜は複雑な構造をしています 拡大してもっと細かく見てみましょう 光受容体細胞は一番上にあり 受け取った信号は細胞の層の 一番下にある神経節細胞に至るまでに 様々な計算を経て変換され そこから脳へ情報が伝達され 我々は映像を知覚します 網膜色素変性症や黄斑変性症などで 失明する際には 光受容体細胞は萎縮 または破壊されています どうしたら治せるでしょう? 薬が結合する対象が存在しないため 薬による治療が可能かどうかすら不明です その一方で 光は変わらず 目に入ってきているのです 眼は透明で 光は変わらず素通りしてきています ではもしチャネルロドプシンなどの分子を 代替の細胞に導入し カメラ(光受容細胞)として使えたら どうでしょう? 目には多数の細胞が存在するので 解像度の非常に高いカメラとなるはずです
This is some work that we're doing, led by one of our collaborators, Alan Horsager at USC, and being sought to be commercialized by a start-up company, Eos Neuroscience, which is funded by the NIH. What you see here is a mouse trying to solve a six-arm maze. There's a bit of water to motivate the mouse to move or he'll just sit there. The goal of this maze is to get out of the water and go to a little platform that's under the lit top port. Mice are smart, so this one solves the maze eventually, but he does a brute-force search. He's swimming down every avenue until he finally gets to the platform. He's not using vision to do it. These different mice are different mutations that recapitulate different kinds of blindness that affect humans. So we're being careful in trying to look at these different models so we come up with a generalized approach.
我々はこのようなことをしています これは我々の共同研究者の一人 USC のアラン・ホーセイジャーが率い NIH の研究費援助の下 Eos Neuroscience 社の立ち上げと共に 商業化をしようとしています これはマウスが迷路問題を 解こうとしている場面です 6 方向放射状迷路です マウスの活動を促すため水を少し入れています この迷路の目的は 水から上がって 小さな台へ移動することです マウスは賢いので最終的には 迷路を解きますが 総当たりでやります 台にたどり着くまで 全ての通路を泳ぎます つまり視覚を使っていないのです これらのマウスは遺伝子改変によって 人間の盲目をモデルした 変異マウスです それぞれのモデルを慎重に観察し 一般化できる解決手法を模索します
So how can we solve this? We'll do exactly what we outlined in the previous slide. We'll take these blue light photo sensors and install them onto a layer of cells in the middle of the retina in the back of the eye and convert them into a camera -- just like installing solar cells all over those neurons to make them light-sensitive. Light is converted to electricity on them. So this mouse was blind a couple weeks before this experiment and received one dose of this photosensitive molecule on a virus. And now you can see, the animal can indeed avoid walls and go to this little platform and make cognitive use of its eyes again. And to point out the power of this: these animals can get to that platform just as fast as animals that have seen their entire lives. So this preclinical study, I think, bodes hope for the kinds of things we're hoping to do in the future.
どのようにしたらよいでしょう? 先のスライドで示した通り 我々は青い光センサーを 目の後ろ側の網膜 中央の細胞層に導入し カメラとして機能させます 太陽電池を導入し ニューロンを 光感受性にしたときと同様です そこで光は電気に変換されます このマウスは実験の 数週間前に失明させ 光感受性分子の遺伝子を含んだウィルスを 投与しました そしてご覧の通り マウスは壁を避け 小さな台へとたどり着きます 目の知覚機能が回復しています またこのマウスの凄いところは 失明を経験していないマウスと 同等の成績で台に たどり着いているということです この前臨床研究は 今後我々が実現したいことの 希望を示していると考えます
We're also exploring new business models for this new field of neurotechnology. We're developing tools and sharing them freely with hundreds of groups all over the world for them to study and try to treat different disorders. Our hope is that by figuring out brain circuits at a level of abstraction that lets us repair them and engineer them, we can take some of these intractable disorders I mentioned earlier, practically none of which are cured, and in the 21st century, make them history.
我々はニューロテクノロジーの分野における 新たなビジネスモデルも模索しています 我々はこういったものを開発し 皆が様々な障害の治療を研究できるよう 世界中で数百のグループに 無料で共有しています 我々の望みは 修復および設計が出来る程度まで 脳の回路を解明し 先にお話しした不治の難病を 先にお話しした不治の難病を 21 世紀で過去のものとすることです
Thank you.
ありがとうございました
(Applause)
(拍手)
Juan Enriquez: So some of this stuff is a little dense.
ファン・エンリケス: 少々 濃い内容でした
(Laughter)
(笑)
But the implications of being able to control seizures or epilepsy with light instead of drugs and being able to target those specifically is a first step. The second thing that I think I heard you say is you can now control the brain in two colors, like an on-off switch.
薬の代わりに光で 発作やてんかんを抑え また治療ターゲットを 特定できるというのが まず第一歩ですね 第二に 脳を二つの色で コントロールできるように なったとおっしゃっていたと思います スイッチのオンオフのように
Ed Boyden: That's right.
エド・ボイデン: その通りです
JE: Which makes every impulse going through the brain a binary code.
JE: 脳内の全ての信号を 二進数に置き換えられると
EB: Right. With blue light, we can drive information, and it's in the form of a one. And by turning things off, it's more or less a zero. Our hope is to eventually build brain coprocessors that work with the brain so we can augment functions in people with disabilities.
EB: そうですね 青い光が情報を伝えさせるのは 1のようなもの オフのスイッチのほうは ゼロのようなものですね 障害者の機能を増強するために 我々は最終的に 脳と共に作動する コプロセッサを作りたいと考えています
JE: And in theory, that means that, as a mouse feels, smells, hears, touches, you can model it out as a string of ones and zeros.
JE: つまり理論的にはマウスが 感じ 匂いを嗅ぎ 聞き 触れるのを 1 と 0 の文字列で モデル化できるということですか?
EB: Yeah. We're hoping to use this as a way of testing what neural codes can drive certain behaviors and certain thoughts and certain feelings and use that to understand more about the brain.
EB: そうです 我々はこの技術を どの神経信号が特定の行動 考え 感情へと導くかの評価に用い 脳の解明に役立てたいと思います
JE: Does that mean that someday you could download memories and maybe upload them?
JE: ではいつか記憶の ダウンロードやアップロードが できるようになるということですか?
EB: That's something we're starting to work on very hard. We're now working on trying to tile the brain with recording elements, too, so we can record information and then drive information back in -- sort of computing what the brain needs in order to augment its information processing.
EB: ええ 我々はそれにも 頑張って取り組み始めています 我々は現在 情報を外部記録し また取り入れられるように 記録素子を脳に敷き詰めよう という研究も進めています 脳の情報処理を増強するのに必要なものを 計算しているといったところです
JE: Well, that might change a couple things. Thank you.
JE: それは色々変化を もたらすかもしれませんね
EB: Thank you.
EB: ありがとうございました
(Applause)
(拍手)