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.
잠시동안 하루일과를 생각해보세요. 일어나고, 문을 걸어나오며 얼굴에 상쾌한 공기를 느끼고, 새로운 동료들을 만나 토론을 하고, 새로운 것을 알게 되었을 때 경외감을 느끼죠. 그러나 오늘 생각하지 않았던 것이 있었을거라 확신합니다. 집에서 너무 가까운 것이라 자주 생각조차 하지 않을 수도 있는 것이죠. 모든 감각, 느낌, 결정과 행동은 당신의 머리속에 있는 뇌라는 컴퓨터에 의해 조정된다는 것 말입니다.
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.
뇌는 겉으로 보이는 것과는 다를 수도 있습니다— 회분홍색의, 형태가 없는 1, 2 파운드의 모습이죠. 지난 몇백년의 신경 과학은 우리들이 이런 뇌를 확대해, 안에 무엇이 있는지의 복잡함을 볼 수 있도록 했습니다. 그리고 뇌는 뉴런이라 불리는 수억, 수백가지의 세포로 만들어진 믿을 수 없게 복잡한 회로라는 것을 알려주었습니다. 적은 숫자의 여러 부분으로 만들어진, 사람이 만든 컴퓨터와는 다르게— 사람이 디자인했기 때문에, 작동원리를 잘 알고있죠 – 뇌는 수천가지의 다른 종류의 세포들로 만들어져 있습니다. 어쩌면 수만가지일 수도 있겠군요. 세포들은 각기 다른 모양으로 생겼습니다. 모두 다른 분자들로 이루어져 있구요. 또한, 각각 뇌의 다른 부분에 계획되어 연결합니다. 여러 질병 상태에 따라 다른 방법으로 바꾸기도 합니다.
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.
더 명확하게 설명하자면 뇌 안에는 한 부류의, 작고, 주변 세포를 진정시키는 억제 세포가 있습니다. 정신 분열증에서 처럼 위축되어 보이는 세포 중 하나이죠. 바구니세포라고 불립니다. 이 세포는 우리가 배우고 있는 수천가지의 세포 중 하나입니다. 매일 새로운 종류의 세포가 발견되고 있습니다. 두번째 예처럼요. 이 피라미드의, 거대한 세포들은, 뇌의 중요한 부분에 자리잡고 있습니다. 흥분성 세포입니다. 또한 이 세포들은 간질 같은 병에선 지나치게 활동적일 때도 있습니다. 이런 세포들 모두 놀라운 전기 장치인 셈이죠. 그것들은 위에 있는 수천개의 세포들로부터 입력을 받아서 그들 스스로의 전기 결과물을 산출해내, 특정 경계선을 넘게 된다면, 밑에 있는 다른 수천개의 세포들에게 전달할 것입니다. 100분의 1초정도 소요되는 이 과정은, 당신이 살아있고, 생각하고, 느끼는 한, 몸 속의 1000억개의 모든 세포에서
So how are we going to figure out what this circuit does?
1분동안 수천번 일어납니다.
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.
그렇다면 우리는 이 회로가 무엇을 하는지 어떻게 알까요? 이상적으로는, 이 회로에 개입해 다른 종류의 세포들을 켜거나 꺼서 어떤 세포가 특정 기능을 하고, 특정 병에선 어떤 것이 잘못되어 있는지 알아낼 수 있을겁니다. 만약 세포들을 활성화시킬 수 있다면, 어떤 힘으로 촉진시키거나, 무엇이 세포를 시작하고 지속하는지 알 수 있을겁니다. 만약 세포들을 차단시킨다면, 그것들이 무엇에 필요한 지를 알 수 있을겁니다. 이것이 제가 오늘 말하려는 이야기 입니다. 솔직히, 지난 11년동안은, 뇌의 회로, 세포, 각종 부분과 경로들을 활성화, 또는 비활성화 시키는 방법을 찾기위한 시도들을 통해, 과학을 이해하고, 전 인류가 대면하는 몇가지 이슈들을 직면하기 위해서였습니다.
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.
이제 제가 기술에 대해 언급하기 전에, 이 방에 계신 분들 중 중요한 일부는, 만약 오래 살 수 있다면, 뇌 질환을 갖게될지도 모릅니다. 이미, 10억명의 사람들은 특정 종류의 뇌 질환을 앓아 정상적인 생활이 불가능합니다. 그 숫자는 공평하지 않습니다. 이런 질환들 – 정신 분열증, 알츠하이머, 우울증, 중독 – 이것들은 우리의 생명만 앗아갈 뿐만 아니라, 우리의 존재조차도 바꿔버립니다. 우리의 정체성을 가져가 감정을 바꾸고, 우리를 바꿔놓습니다.
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.
20세기에는, 뇌질환들을 치료하기 위한 약의 발달로 인해 생긴 희망이 있었습니다. 뇌질환 증상들을 완화시키는 많은 약들이 발전되는 동안에도, 실질적으로 어떠한 약도 완전히 치료를 하게 하지는 않습니다. 부분적인 이유로는, 우리가 뇌를 화학물에 세척하기 때문입니다. 이 수천가지의 다른 세포로 이루어진 정교한 회로는 화학 물질에 세척되고 있습니다. 아마도 이것이, 시중의 대부분의 약물이 몇가지 심각한 부작용을 동반하는지의 이유일수도 있습니다.
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?
몇 사람들은 뇌에 심어진 전자 자극장치로부터 위안을 얻기도 합니다. 파킨슨 병에선, 달팽이관 이식은 이 병을 가진 사람들에게 몇가지 종류의 해결책을 가져다주게 되었습니다. 그러나 전기는 모든 방향으로 작용해, 자기가 왔던, 가장 적은 저항의 길로 가게 됩니다. 이것은 정상 회로에 영향을 주고 우리가 고치고자 하는 비정상적인 것도 영향을 줍니다. 또다시, 우리는 초정밀 조종의 문제로 오게 되었습니다. 우리가 보내고 싶어하는 곳으로 정확히 정보를 보낼 수 있을까요?
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.
제가 11년 전에 신경 과학을 시작했을 때, 전기 공학자와 물리학자로서 훈련 받은 뒤, 첫번째로 생각한 것은 만약 뉴런들이 전기 기기들이라면, 우리가 해야할 것은 거리를 두고 전기 변화들을 이용하는 방법을 찾아야 한다는 것이었습니다. 만약 주변은 제외하고, 세포 하나에만 전기를 켤 수 있다면, 각기 다른 세포들을 활성, 또는 비활성화 시키기 위해 필요한 기능을 얻게 되, 각 세포가 하는 일과 그것들이 속해 있는 네트워크에 어떻게 영향을 주는지를 알게 될겁니다. 또한 초정밀 조종을 가능하게 해 그동안 빗나갔던 회로 계산을 바로잡을 수 있게 할 것입니다.
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.
어떻게 이걸 할 수 있을까요? 자연에는 많은 종류의 분자가 존재하고, 그것들은 빛을 전기로 바꿀 수 있습니다. 태양 전지같은 작은 단백질이라 생각할 수 있죠. 만약 이런 분자들을 뉴런에 주입할 수 있다면, 이 뉴런들을 빛을 이용해 전기로 사용할 수 있을겁니다. 이런 분자가 없는 주변 세포들은 그렇지 못하겠죠. 이런 것이 일어나기 위해선 다른 비결이 필요한데, 뇌 안으로 빛을 비추게 하는 능력입니다. 이것을 위해선, 뇌는 고통을 느끼지 못하므로, 인터넷과 통신같은 것으로 투여된 노력의 장점을 이용해, 뉴런을 활성시킬 수 있는 레이저가 연결된 광섬유를 넣으면, 예를 들어 임상 연구 전에 동물 모델에 말입니다, 뉴런이 무엇을 하는지 연구할 수 있습니다.
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.
이것을 어떻게 하느냐? 2004년 즈음, 게르하르트 나겔과 칼 디저로스의 협력으로, 이 비전은 결실을 맺었습니다. 야생에서 헤엄치는 특정 조류(藻類)가 있는데, 이들이 최적으로 광합성하기 위해선 빛을 향해 방향을 찾아야 합니다. 빛을 작은 눈구멍으로 감지하지만, 이 눈은 우리들의 눈과는 다르게 작동됩니다. 세포막 안, 또는 경계선에는, 작은 단백질이 있어 빛을 전기로 변환하게 합니다. 이런 분자들은 채널로돕신스 (channelrhodospins) 이라 불립니다. 각각의 단백질은 제가 말한 태양 전지처럼 작용합니다. 파란 빛을 쬐면, 작은 구멍이 열려 전기를 띤 입자가 눈구멍으로 들어가게 합니다. 그러면 눈구멍은 전기 신호를 가지게 되 마치 태양 전지가 배터리를 충전하는 것 처럼 됩니다.
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.
우리가 해야 할 것은 이 분자들을 이용해 뉴런에 설치하는 겁니다. 왜냐하면 단백질로 이루어진 이상, 생물의 DNA에 암호화되 있기 때문입니다. 그러니 우리는 그 DNA를 가져가, 박테리아같은 유전자 치료의 매개체에 주입한 후, 뉴런안에 주입해야 합니다. 이 방법은 유전자 치료와, 함께 생겨나는 많은 바이러스 쪽으론 굉장히 생산적인 때가 되었습니다. 굉장히 간편한 방법이 되었구요. 2004년 여름, 어느 이른 아침에 시도해서, 첫 번째 시도에서 효과를 보았습니다. DNA를 가지고 뉴런에 주입했습니다. 뉴런은 원래 있던 단백질 생산 조직을 이용해 빛에 민감한 단백질을 생산해, 다른 세포들 모두에 설치했습니다. 마치 지붕에 태양 전지판을 놓는것 처럼요. 그 다음엔, 빛에 활성화되는 뉴런이 만들어지게 됩니다. 굉장히 막강하죠.
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.
우리가 해야 하는 것은 원하는 세포에 유전자들을 전달할 방법을 찾고 주변 세포에는 영향을 끼치지 않게 하는겁니다. 이것을 가능하게 하는 방법은 바이러스들을 조종해 몇가지 세포만 건들게 하는 것이죠. 빛에 반응하는 세포를 얻기 위해 할 수 있는 다른 유전적 방법이 있습니다. 이 분야는 광유전학이라고 알려지게 되었죠. 쉬운 예를 들자면, 복잡한 네트워크를 찾아, 바이러스를 밀집된 네트워크에 있는 한 종류의 세포에게 유전자를 전달하는 데에 이용하는 겁니다. 그 다음 네트워크 전체에 빛을 비추면, 유전자가 전달된 세포만 활성될 것입니다.
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.
예를 들어, 제가 전에 말한 바구니 세포를 생각해 보세요. 정신 분열증에서 위축되어 있는 억제 세포말입니다. 만약 유전자를 이 세포들에게 전달할 수 있고, 물론 유전자의 표출로 유전자가 바뀌지 않는 한에서, 뇌의 네트워크에 파란 빛을 비춘다면 바구니 세포들만 부각될 것입니다. 그리고 빛을 끄면, 이 세포들은 다시 정상적으로 돌아가, 빛에 거부반응을 보이지 않겠죠. 이 연구를 세포들의 기능에만 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 뇌에서 사용되는 능력, 그리고 세포들의 활동과도 연관지을 수 있을겁니다. 세포들이 위축되는 한에서요. 세포들이 위축되는 한에서요.
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.
이 연구를 과학적, 임상적, 그리고 임상 전의 단계 모두에서 어떻게 적용할 수 있는지에 대한 이야기를 할까합니다. 저희가 대면했던 질문 중 하나는, 뇌 안에서 보상심리를 만드는 신호가 무엇이냐는 것이었습니다. 그 해답을 알게되면, 배움을 이끌어내는 신호를 알게 될 수 있기 때문이었죠. 뇌는 무슨 보상을 받던지 계속 할것입니다. 그리고 중독같은 질환에선 빗나가는 신호들이 존재합니다. 그러니 그 세포들이 무엇인지 알 수 있다면, 우리는 새 목표를 찾아 어떤 약을 제작하거나 가려낼 수 있는지, 아니면 심각한 장애를 가진 사람들을 위해 전극을 놓을 수 있는 곳에 사용할 수 있을겁니다. 이런것을 위해, 저희는 피오렐라 그룹과의 협력으로 간단한 패러다임을 만들었는데, 이 작은 박스 중 한 곳에, 동물이 가게 된다면, 그 동물은 빛의 파동을 받아 각기 다른 뇌세포가 빛에 민감해지게 되는 것입니다. 그 세포들은 보상을 조정해, 그 동물은 계속 그 곳으로 향할겁니다. 이것이 패러다임의 핵심입니다.
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.
이 동물은 오른쪽으로 간 뒤 코를 내밀 것이고, 그 때마다 파란빛을 받게 될 것입니다. 이 과정을 수백번 할 겁니다. 도파민 뉴런이란 것이 있는데, 여기 계신 분 중 몇분께선 뇌의 쾌락중추에 관해 들어보신 적이 있을겁니다. 그동안 저희가 이 짧은 활성화로 배움을 이끌어내기 충분하다는 것을 보여드렸죠. 이제 이것을 보편화할 수 있습니다. 뇌의 한 부분 대신, 우리는 뇌에 자리잡는 기기를 고안해, 3차원 패턴으로 빛을 전달하게 할 수 있습니다. 즉, 광섬유 배열로 된, 각각이 독자적인 축소된 빛의 근원으로 연결된 패턴말입니다. 그리고 접시에서만 해왔던 것들을 체내에서 실험해, 뇌 전체에 걸쳐 특정 일을 야기하는 신호를 위해 검사하는 높은 처리량 같은 것을 할 수 있습니다. 아니면 이런 것은 뇌질환을 위한 좋은 임상 대상이 될 수도 있습니다.
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.
제가 말하고픈 다른 것은 우리가 어떻게 외상 후 스트레스를 치료하기 위한 타겟을 찾는가 입니다. 그 질환은 억제되지 않는 불안과 공포를 가지고있죠. 저희가 한 것 중 하나는 공포의 고전적인 사례를 택하는 것이었습니다. 파블로브 시대로 되돌아가죠. 파블로브 공포 조건화라고 불립니다. 신호음이 짧은 자극으로 끝나는 것입니다. 이 자극은 고통스럽진 않지만 성가시죠. 그리고 시간이 지나면서—이 상황에선, 보통 이런 실험을 할 때 좋은 모델이 되는 쥐가 – 신호음에 공포를 느끼게 됩니다. 쥐는 몸이 얼어붙는 반응을 보일겁니다. 전조등 앞에 선 사슴처럼요. 여기서 생기는 질문은, 뇌에 어떤 타겟을 찾아서 이런 공포를 극복하게 할까입니다. 그래서 저희는 그 신호음을, 공포를 느끼게 한 후 다시 사용했습니다. 그러나 이번엔 제가 아까 말씀드린 광섬유 배열을 사용해, 다른 종류의 뇌에 타겟을 활성화시킨 뒤, 어떤 타겟이 뇌가 공포를 받았던 기억으로부터 극복하게 하는지를 찾아보았습니다.
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.
이 짧은 비디오는 저희가 현재 작업하는 타겟 중 하나를 보여줍니다. 이는 전두엽 피질 안 부분으로, 이 부분은 우리가 인식을 사용해 혐오적 감정상태를 극복하려하는 곳입니다. 동물이 신호음을 듣게될 것이고, 섬광이 저기서 일어나지요. 소리는 안나지만, 동물이 굳어버리는 것을 보실 수 있습니다. 이 신호음은 안좋은 소식을 의미했습니다. 아래에 왼쪽 모서리에 작은 시계가 있는데, 저 쥐가 2분동안 이랬다는 것을 알 수 있습니다. 다음 클립은 8분후 입니다. 다음 클립은 8분후 입니다. 같은 신호음이 울릴 것이고, 빛이 다시 비춰질 겁니다. 오케이, 시작합니다. 바로 지금요. 보시다시피, 이 실험의 10분동안, 저희가 쥐의 뇌를 광활성화 시킴으로써 공포의 기억을 극복하도록 해놓았습니다. 공포의 기억을 극복하도록 해놓았습니다.
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.
지난 몇년간, 저희는 생명나무(tree of life)로 되돌아가, 뇌의 회로를 끄는 방법을 찾고자 했습니다. 만약 이것이 가능하다면, 효과가 막강할 것이기 때문입니다. 만약 1초, 또는1000분의 1초간 세포를 제거할 수 있다면, 그것이 회로에서 하는 일이 무엇인지 알아낼 수 있을 겁니다. 그리고 저희는 모든 생명나무에 걸친 생물들을 조사해왔습니다. 우리가 약간 다르게 보는, 동물을 제외한 삶의 모든 종류를 말입니다. 그리고 모든 종류의 분자들이, 할로로도스핀스 (halorhodopsins) 또는 아카데로도흐신스 (archaerhodopsins) 이라 합니다, 초록색과 노란색 불에 반응한다는 것을 알게되었습니다. 그런 분자들은 제가 아까 언급한 파란 불빛의 활성체인 채널로돕신 (channelrhodopsin) 과는 다르게 작용합니다.
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.
이것에 관한 예를 말해보겠습니다. 간질과 같이, 뇌가 과도하게 활동적인 상황을 생각해 보십시오. 만약 약물이 간질 치료를 하지 못한다면, 대안 중 하나는 뇌를 부분적으로 제거하는 것입니다. 하지만 이것은 되돌릴 수 없고, 부작용을 동반할 수도 있습니다. 만약 우리가 아주 잠깐동안 뇌를 정지시켜, 발작이 멈추게 될때까지만, 뇌를 초기의 상태로 되돌리게 한다면 어떨까요? 꼭 안정적인 상태로 되는 역학적인 시스템처럼요. 이 애니메이션은 저 세포들이 불을 끔에 따라 민감해지고, 다시 빛을 쬐면, 그동안 저희가 끄길 원하는 발작도 멈춰지게 된다는 개념을 설명하기 위함입니다. 비록 여기서 보여드릴 수 있는 자료는 없지만, 저희는 굉장히 흥분된 상태입니다.
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.
이야기 하나로 마무리를 지으려 하는데, 다른 가능성에 관한 것입니다. 만약 저희가 분자들을 초정밀 조종하는게 가능하다면, 분자들을 뇌 안에서 빛을 이용한 인공 기관 종류로 사용할 수 있을지도 모른다는 것입니다. 제가 이미 전자 자극장치는 흔한게 아니라는 걸 언급했지요. 7만 5천명의 파킨슨병 환자들은 뇌속 깊숙히 자극장치가 심어져있습니다. 어쩌면 10만명의 사람들이 듣는것을 가능하게 하는 달팽이관 이식수술을 했을겁니다. 다른 사실 하나는, 우리가 이 유전자를 세포안으로 주입해야 한다는겁니다. 그리고 유전자 치료에서의 시로운 희망이 점차로 발전했든데 분비선 관련 바이러스들은, 아마 이 장소에 있는 우리중 대부분이 가지고 있을것이기도 하고, 아무 증상도 동반하지 않기 때문에, 수백명의 환자의 몸 또는 뇌 속으로 유전자를 전달하는 데 사용되었습니다. 그리고 지금까지는, 이 바이러스 관련 부정적 사건들은 한번도 일어나지 않고있습니다.
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.
마지막으로 이 장에서 가장 중요한 문제는, 조류와 박테리아, 곰팡이로부터 온 단백질자체들은 생명나무 전체에 있습니다. 우리 중 대부분은 뇌에 곰팡이나 조류는 없지만, 만약 그런 것을 뇌에 주입하면 어떻게 될까요? 세포들이 견뎌낼까요? 면역체계가 반응할까요? 예전엔, 사람에게 이런 것이 행해지지 않았지만, 지금 저희는 다양한 연구를 하고있고 조사중입니다. 지금까지 분자들이나 뇌를 빛에 쬤을 때 격한 반응은 저희가 분명하게 발견하지 못했습니다. 예전 이지만, 솔직히, 저희는 들뜬 상태입니다.
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.
한가지 얘기만 더하겠습니다. 저희는 이것이 잠재적으로 임상적 기능이 될거라 생각합니다. 맹목엔 여러 형태가 있는데, 빛을 감지하는 광수용체가 우리의 눈 뒤에 있거나 없어지는 것일 겁니다. 물론 망막은 복잡한 구조로 되어있습니다. 이 부분을 확대해서, 그걸 더 자세히 볼 수 있도록 하겠습니다. 광수용체 세포들은 윗부분에 있는데, 그 다음에는 광수용체들에 의해 감지된 신호들이 다양한 계산을 통해 형태를 변형해, 밑에서 세포층인, 신경절 세포층이 마침내 우리가 인식하도록 하는 뇌로 정보를 보내어 교체하도록 합니다. 색소성 망막염이나 시력감퇴와 같은 많은 형태의 맹목은 광수용체 세포들이 위축되 있거나 손상되 있습니다. 이것을 어떻게 고칠까요? 약물이 이런 증상을 회복시킨다는것도 확실하지 않는데요, 약물이 묶여있을 만한 것이 없기 때문입니다. 반면에, 빛은 여전히 눈속으로 들어갈 수 있지요. 빛은 여전히 투명해서 사람들은 그걸 안으로 들여보낼 수 있습니다. 그래서 만약 우리가 그냥 이 채널로돕신 (channelrhodopsins) 과 다른 분자들을 취해서 남는 다른 세포들에 놓아 이들을 설치시켜서 카메라처럼 바꿀수 있다면 어떨까요. 눈 안에는 너무나도 많은 세포가 있기 때문에, 잠재적으로 그들은 고화질 카메라가 될 수 있습니다.
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.
이것이 저희가 하고있는 작업입니다. 저희와 공동 연구하는 USC의 앨런 홀새거씨가 감독하고 있고, NIH에서 자금을 받아 창업 회사인 이오스 뉴로사이언스 (Eos Neuroscience) 가 상업화하려 하고 있습니다. 보시는 것은 쥐가 미로를 탈출하려 하는 장면입니다. 6방향 미로입니다. 미로엔 약간의 물이 있어 쥐를 움직이게 합니다. 아니면 쥐는 그냥 앉아있겠죠. 물론, 미로 끝에는 물에서 나갈 수 있어 위에 빛나는 포트 밑에 있는 작은 플랫폼으로 갈 수 있습니다. 쥐는 똑똑해서, 결국 미로를 나가게 되겠지만, 동물적으로 조사를 합니다. 모든 길을 일일히 헤엄쳐 플랫폼까지 가게 되지요. 그는 시력을 사용해서 그걸 하지는 않진 않는거죠. 이 다른 쥐는 돌연변이인데, 사람에게 영향을 미치는 맹목과는 다른 종류를 나타냅니다. 저희는 이 다른 모델을 조심스레 연구해, 보편화된 접근에 이르게 되었습니다.
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.
어떻게 이것을 해결하느냐? 그 전 슬라이드에서 보인 것과 같게 하겠습니다. 이 푸른빛 감광장치를 이용해 눈 뒤에 위치한 망막의 중앙에 있는 세포막에 놓아 카메라로 바꾸어 놓을 겁니다. 뉴런들을 빛에 반응하게 만들기 위해 태양 전지를 설치하듯이 말이지요. 그들로 인해 빛은 전기로 바뀝니다. 이 쥐는 실험 전 몇주간 눈이 보이지 않았고 바이러스 안에 넣어둔 빛에 민감한 분자들을 주입받았습니다. 이제 보시다시피, 쥐는 벽을 피하게 되었고 작은 플랫폼으로 가 자신의 눈을 다시 의식적으로 사용하게 되었습니다. 이것의 강점을 말하자면, 이 동물들은 그들이 살아오며 본 동물들만큼이나 플랫폼에 빠르게 도달할 수 있다는 겁니다. 임상 전 연구는, 제 생각엔, 우리가 미래에 바라는 것의 좋은 징조가 될 것 같습니다.
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.
결론적으로, 제가 말하고 싶은 것은 저희는 신경 기술의 새로운 분야를 위해 새로운 일을 찾고 있기도 합니다. 여러 도구들을 개발하고 있지만, 전세계의 여러 그룹과 무료로 공유해, 갖가지 다른 질병을 연구하고 치료하려 하고자 합니다. 저희의 희망은, 뇌 회로를 저희가 치료하고 제작하는 단계에서 알아내, 제가 언급했던 다루기 힘든 질병들, 실질적으로 치료할 수 없는 병들을 가지고, 21세기엔 그것들을 과거로 만들어버리겠다는 것입니다.
Thank you.
감사합니다!
(Applause)
(박수)
Juan Enriquez: So some of this stuff is a little dense.
후안 엔리퀘즈: 이것들중 몇가지는 좀 난해하군요.
(Laughter)
(웃음)
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.
그러나 약대신 빛으로 발작이나 간질을 조정하는것이 가능하다는 것과 그것들만을 특정하게 타겟으로 잡을 수 있다는 암시는 첫번째 단계입니다. 제 생각에 제가 말을 들은 두번째는 이제 뇌를 두가지 색으로 조종할 수 있다는 것 같은데요. 켜고 끄는 스위치처럼요. 에드 보이덴: 맞습니다.
Ed Boyden: That's right.
후안: 그리고 모든 자극은 뇌 속으로 2진 부호로 들어가겠구요.
JE: Which makes every impulse going through the brain a binary code.
에드: 맞습니다. 그래요.
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.
파란 빛으로, 우리는 정보를 얻을 수 있고, 1의 형태로 있게되죠. 더 부드럽게 바꾸면, 아마 0 이 되겠지요. 그러니 저희의 희망은 결국 뇌의 보조 처리기를 만들어 뇌와 함께 작동해, 장애를 가진 사람들에게 기능을 더하는 겁니다.
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.
후안: 그리고 이론으론, 쥐가 느끼고, 냄새를 맡고, 듣고, 만지게 되면서, 당신이 그걸 1과 0의 열로 만들 수 있다는 것이죠.
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.
에드: 물론입니다. 저희는 이것을 어떤 신경 코드가 특정한 행동과 생각, 감정을 유발시키는지를 테스트하는 방법으로 사용해, 뇌를 좀 더 이해할 수 있게 희망을 걸고 있습니다.
JE: Does that mean that someday you could download memories and maybe upload them?
후안: 그럼 언젠간 기억을 다운로드해서, 또 업로드 할 수 있다는 소리인가요?
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.
에드: 음. 그건 저희가 지금 열심히 일하기 시작하고 있는 분야랍니다. 저희는 현재 요소들을 녹음하는 것과 더불어 뇌를 타일링하는 작업을 시도하고 있기도 합니다. 그래서 정보를 기록하고 다시 빼낼 수 있게 말입니다. 마치 뇌의 정보 과정을 증가시키기 위해 뇌가 무엇을 필요로 하는지 계산하는 것 처럼 말이지요.
JE: Well, that might change a couple things. Thank you.
후안: 흠, 그건 몇가지를 바꾸겠군요. 감사합니다. (에드: 감사합니다.)
EB: Thank you.
(짝짝짝)
(Applause)