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.
Gândiţi-vă la ziua dvs. doar pentru o secundă. Vă treziţi, simţiţi aerul proaspăt pe faţa dvs când ieşiţi pe usă, întilniţi colegi noi şi purtaţi discutii deosebite, şi vă simţiţi extraordinar când descoperiţi ceva nou. Dar pun pariu că este ceva la care nu v-aţi gândit astăzi -- ceva atât de apropiat de casă încât probabil că nu vă gândiţi la el prea des. Şi asta se întâmplă deoarece toate senzaţiile, sentimentele, deciziile şi acţiunile sunt mediate de către un computer din cap denumit creier.
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.
Probabil că acesta nu arată cine ştie ce din afară -- o gramadă de material roz-cenuşiu amorf -- dar ultima sută de ani de neuroştiinţă ne-a permis să îl privim în profunzime şi să vedem cât de complex este în interior. Aşa am aflat că acest creier este un circuit incredibil de complicat făcut din sute de milioane de celule, denumite neuroni. Spre deosebire de un computer creat de om, în care există un număr mic de piese diferite -- ştim cum funcţionează, deoarece noi oamenii le-am creat -- creierul este făcut din mii de tipuri diferite de celule, poate zeci de mii. Acestea au forme variate, sunt făcute din molecule diferite; şi alcătuiesc şi conectează diferite regiuni al creierului. De asemenea, acestea se modifică în diferite moduri în cazul unor boli.
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.
Să vă spun şi mai concret. Există o clasă de celule, o celulă foarte mică, o celulă inhibitor, care aduce la tăcere vecinii săi. Una dintre aceste celule pare să se atrofieze în boli precum schizofrenia. Aceasta se numeşte celula coş. Celula este una dintre miile de tipuri de celule despre care noi învăţăm. În fiecare zi, sunt descoperite unele noi. Doar ca un al doilea exemplu: aceste celule piramidale, celule mari, care se pot întinde pe fracţiune semnificativă din creier. Acestea sunt excitatorii. Acestea sunt doar o parte din celulele, care ar putea fi hiperactive, în cazul unor tulburări precum epilepsia. Fiecare dintre aceste celule este un dispozitiv electric incredibil. Primesc semnale de la mii de parteneri din amonte şi calcuează propria emisie de electricitate pe care apoi, dacă depăşesc un anumit prag, o vor transmite către miile de parteneri din aval. Acest proces, care durează aproape o milisecundă, are loc de mii de ori într-un minut în fiecare din cele peste 100 miliarde de celule, atât timp cât trăiţi,
So how are we going to figure out what this circuit does?
gândiţi şi simţiţi.
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.
Deci, cum ne dăm seama ce face acest circuit ? Ideal, putem parcurge circuitul activând şi dezactivând diferite tipuri de celule pentru a vedea dacă ne dăm seama care din ele contribuie la anumite funcţii şi care se defectează în cazul anumitor patologii. Dacă am putea activa celule, am putea vedea ce puteri declanşează, ce pot iniţia şi susţine. Dacă le-am putea dezactiva, atunci am putea încerca să ne dăm seama pentru ce sunt necesare. Aceasta este povestea pe care vreau să o spun astăzi. Şi sincer, unde am ajuns de-alungul ultimilor 11 ani în încercarea de a găsi metode de activare şi dezactivare a circuitelor, celulelor, părţilor şi traseelor din creier, pentru a înţelege ştiinţa şi pentru confruntarea cu anumite probleme care ne privesc pe noi toţi ca oameni.
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.
Acum, înainte să vă spun despre tehnologie, vestea proastă este că o parte semnificativă dintre cei prezenţi, dacă vom trăi suficient de mult, vom suferi, probabil, de tulburări ale creierului. Deja, un miliard de oameni suferă de un anumit tip de tulburare care îi face incapabili. Numerele nu fac dreptate totuşi. Aceste dereglări - schizofrenia, Alzheimer, depresie, dependenţă - nu doar ne răpesc timp din viaţă, dar ne schimbă din ceea ce suntem; ne fură identitatea şi ne modifică emoţiile - ne schimbă pe noi ca oameni.
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.
În secolul 20, apăruse ceva speranţă prin dezvoltarea medicamentelor pentru tratarea bolilor mentale. Şi deşi au fost create multe medicamente care ameliorau simptomele dereglărilor creierului, practic nici unul dintre acestea nu vindecau. Şi mare parte se datorează faptului că scufundăm creierul în chimicale. Acest circuit elaborat făcut din mii de tipuri diferite de celule este scufundat în substanţe. Tot din acest motiv, probabil majoritatea medicamentelor, de pe piaţă, dar nu toate, pot determina efecte adverse serioase.
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?
Acum unii oameni au primit ceva consolare de la stimulatorii electrici implantaţi în creier. Pentru Parkinson, implanturile cohleare, într-adevăr au reuşit să ofere un tip de remediu acelor persoane cu anumite tipuri de dereglări. Dar, de asemenea, electricitatea se duce în toate direcţiile - calea minimei rezistenţe, la care de fapt mă refer. Aceasta afectează circuitele normale, precum şi pe cele defecte ce se doresc a fi reparate. Aşadar din nou, ne întoarcem la idea controlului ultra-precis. Putem obţine informaţiile necesare pentru a şti exact unde vrem să ajungem?
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.
Când am început să studiez neuroştiinţa, acum 11 ani, m-am educat ca inginer electric şi fizician, şi primul lucru la care m-am gândit a fost dacă aceşti neuroni sunt dispozitive electrice, tot ce trebuie să facem este găsirea unei căi de a determina schimbări electrice de la distanţă. Dacă am putea porni electricitatea într-o celulă, dar nu şi în cele vecine, acest lucru ne-ar da instrumentul de care avem nevoie pentru activarea şi dezactivarea diferitelor celule, identificarea modului în care ele contribuie în cadrul reţelei din care fac parte. De asemenea, ne-ar permite să deţinem mult doritul control ultra-precis pentru a repara circuitele de calcul care s-au defectat.
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.
Şi cum putem face asta ? Ei bine sunt mai multe molecule existente în natură, care sunt capabile să transforme lumina în electricitate. Vă puteţi gândi la ele ca la nişte mici proteine similare cu celulele solare. Dacă am putea cumva să instalăm aceste molecule în neuroni, atunci aceşti neuroni ar căpăta conductibilitate electrică cu ajutorul luminii. Iar, celulele vecine, care nu au aceste molecule, nu vor fi conductibile electric. Şi mai este necesar un truc magic de a face acest lucru posibil şi anume posibilitatea de a introduce lumina în creier. Şi pentru a face asta - creierul nu simte durerea- poţi pune - profitând de toate eforturile depuse pentru Internet, comunicare şi altele - fibre optice conectate la lasere ce pot fi folosite pentru activarea, în modele animale de exemplu, în studii pre-clinice, acestor neuroni şi să observi cum se comportă.
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.
Şi cum putem face asta ? Prin anul 2004, în colaborare cu Gerhard Nagel şi Karl Deisseroth, această viziune a dat roade. Există o anumită algă, care înoată în sălbăticie şi care trebuie să navigheze către lumină pentru o fotosinteză optimă. Ea poate detecta lumina cu un ochi mic, care funcţionează nu foarte diferit de ochiul uman. În membrana sa, sau la marginea acesteia, sunt mici proteine care într-adevăr transformă lumina în electricitate. Aceste molecule sunt denumite rodopsine de canal. Fiecare dintre aceste proteine acţionează precum o celulă solară, despre care am amintit. Când lumina albastră o atinge, se deschide o mică gaură şi permite particulelor încărcate să între în ochi. Şi astfel ochiul va avea un semnal electric exact ca o celulă solară care încarcă o baterie.
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.
Aşadar tot ce trebuie să facem este să luam aceste molecule şi cumva să le instalăm în neuroni. Deoarece este o proteină, are codificat ADN-ul organismului de provenienţă. Şi deci ar trebui să luam acest ADN şi să îl punem într-un vector de terapie a genelor, precum un virus, pe care apoi să îl introducem în neuroni. Aşadar s-a dovedit că a fost un moment foarte productiv pentru terapia genelor şi mulţi viruşi au fost utilizaţi. În consecinţă, s-a dovedit că este simplu de făcut. Dis-de-dimineaţă într-o zi din vara lui 2004, am încercat aceasta variantă şi a funcţionat din prima. Iei acest ADN şi îl pui într-un neuron. Neuronul foloseşte mecanismul propriu de producere a proteinelor pentru a fabrica aceste mici proteine foto-sensibile şi le instalează pe suprafaţa celulei, precum ar fi aranjate panourile solare pe acoperiş. Şi apoi următorul lucru pe care îl descoperi este că ai obţinut un neuron ce poate fi activat de lumină. Acest lucru este foarte puternic.
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.
Un alt truc pe care trebuie să îl faci este să îţi dai seama cum poţi livra aceste gene în celulele dorite şi nu în cele vecine. Şi s-ar putea face; viruşii pot fi ajustaţi, în aşa fel încât să ajungă la anumite celule şi nu la celelalte. De asemenea, mai este un truc genetic ce poate fi folosit pentru a obţine celule activate de lumină. Acest domeniu a ajuns să fie cunoscut drept optogenetică. Şi tot ca exemplu despre ce mai poate fi făcut, ai putea lua o reţea complexă, să foloseşti unul dintre viruşi pentru livrarea genei doar pentru un anumit tip de celulă din această reţea densă. Şi atunci când porneşti lumina asupra reţelei, doar acel tip de celulă se va activa.
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.
De exemplu, să luăm în considerare celula coş, amintită mai devreme - cea atrofiată în cazul schizofreniei şi care este inhibitoare. Dacă am putea livra acea genă în aceste celule - şi nu vor fi alterate de genă, bineînţeles - şi am emite o lumină albastră asupra întregii reţele neuronale, doar aceste celule s-ar activa. Şi când lumina se închide, aceste celule revin la normal, astfel încât să pară că nu au fost vreodată defecte. Astfel, nu doar că poate fi studiat ce fac aceste celule, care este puterea lor de calcul în creier, dar va fi posibil să ne dăm seama -- s-ar putea să putem stimula activitatea acestor celule, dacă într-adevăr sunt atrofiate.
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.
Acum doresc să vă spun câteva relatări scurte despre cum folosim asta, la nivel ştiinţific, clinic şi pre-clinic. Una dintre întrebările cu care ne confruntăm este, care sunt semnalele din creier care mediază senzaţia de recompensă? Deoarece dacă ar putea fi identificate, acestea ar putea fi câteva semnale ce pot ajuta învăţarea. Creierul va face mai mult din orice ar duce la respectiva recompensă. Acestea sunt semnalele alterate în dereglări precum dependenţa. Aşadar, dacă am pute afla care sunt acele celule, s-ar putea să găsim ţinte noi pentru care să fie create medicamente, sau protecţie împotriva lor sau poate să fie găsite locuri în care electrozi pot fi inseraţi pentru acele persoane care suferă de dizabilităţi severe. Deci pentru a face asta, am gândit un model foarte simplu în colaborare cu grupul Fiorella, în care pe o latură a acestei cutii mici, dacă animalul se duce acolo, primeşte un puls de lumină pentru a face diferite celule din creier sensibile la lumină. Dacă aceste celule pot facilita reocompensa animalul se va duce din ce în ce mai des acolo. Şi asta se întâmplă.
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.
Acest animal se deplasează spre dreapta şi când împinge acolo botul şi de fiecare dată când face asta se aprinde scurt lumina albastră. Şi va face asta de sute de sute de ori. Aceştia sunt neuroni dopamina, despre care probabil o parte dintre voi aţi auzit ca fiind centre ale plăcerii, din creier. Am arătat cum o scurtă activare a acestora este suficientă, într-adevăr, pentru stimularea învăţării. Acum putem generaliza ideea. În loc de a ţinti un punct în creier, putem concepe dispozitive care vizează tot creierul, ce pot furniza lumină în modele tridimensionale - reţele de fibră otpică, fiecare cuplată la propria mini-sursă de lumină. Atunci am putea experimenta in vivo ceea ce am experimentat într-un vas - o analiză la scară largă a întregului creier în căutarea semnalelor ce determină anumite lucruri să se întâmple. S-ar putea să fie o metodă clinică bună pentru tratarea dereglărilor mentale.
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.
Şi încă ceva despre care vreau să vă povestesc este cum putem identifica ţintele pentru tratarea stresului post-traumatic -- o formă de anxietate şi frică necontrolată. Ce am făcut a fost să adoptăm un model foarte clasic de frică. Asta ne duce în zilele Pavloviene. Se numeşte condiţionarea prin frică Pavlov -- un sunet se termină cu un şoc scurt. Şocul nu este dureros, dar este puţin enervant. Şi în timp -- în acest caz, un şoarece, care reprezintă un bun model animal, des utilizat în experimente de acest tip -- animalul învaţă sunetul fricii. Animalul va reacţiona prin îngheţare precum o căprioară în lumina farurilor. Acum întrebarea este ce ţinte din creier putem găsi pentru a putea depăşi starea de frică ? Astfel, am activat sunetul din nou după ce a fost asociat cu frica. Dar am activat ţinte din creier, altele, utilizând acea reţea de fibre optice, despre care v-am spus anterior, pentru a putea găsi şi a ne da seama care ţinte pot determina creierul să ignore memoria fricii.
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.
Această scurtă înregistrare arată aceste ţinte la care noi lucrăm. Aceasta este zona din cortexul prefrontal o zonă în care putem folosi cunoaşterea în încercarea de a ignora stările emoţionale averse. Animalul va auzi un sunet - o lumină scurtă a apărut acolo. Nu avem sonor la înregistrare, dar puteţi vedea cum a îngheţat animalul. Acest sunet înseamnă veşti proaste. În colţul din stânga-jos este un ceas mic, care arată ca animalul se află de două minute în această situaţie. Şi acum următoarea înregistrare este după opt minute mai târziu. Se dă drumul la acelaşi sunet, apoi lumina clipeşte din nou. Ok, uitaţi. Chiar acum. Puteţi vedea, cum doar în 10 minute de experiment, am echipat creierul prin foto-activarea acestei zone pentru a ignora expresia acestei memorii a fricii.
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.
În ultimii doi ani, ne-am întors la copacul vieţii, deoarece am dorit să găsim metode de dezactivare a circuitelor din creier. Dacă am putea face asta, ar putea fi extrem de puternic. Dacă am putea dezactiva celulele, doar pentru câteva milisecunde sau secunde, ne-am putea da seama care este rolul lor necesar, în circuitele din care fac parte. Am evaluat organisme de prin toate zonele copacului vieţii -- fiecare regn de vieţuitoare cu excepţia animalelor, pe care le vedem ca fiind puţin diferite. Am descoperit tot felul de molecule, denumite halorodopsine sau rodopsine arc, care răspund la culorile verde şi galben. Acestea se comportă diferit faţă de molecula menţionată anterior rodopsina canal activată de lumina albastră.
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.
Să vă dau un exemplu, ce vă arată unde ar putea duce asta. Consideraţi, de exemplu, o stare precum epilepsia, caz în care creierul este hiperactiv. Dacă medicamentele nu funcţionează în tratamentul epileptic, una dintre strategii este de a îndepărta o porţiune din creier. Dar evident că este ireversibil şi pot apărea efecte secundare. Ce ar fi dacă am putea dezactiva porţiunea de creier, pentru scurt timp, până atacul dispare şi ar permite creierului sa revină la starea iniţială - oarecum similar cu un sistem dinamic care a fost adus într-o stare stabilă. Această animaţie încearcă sa explice conceptul prin care am sensibilizat aceste celulele să fie închise prin lumină, şi am proiectat lumină şi doar în intervalul necesar pentru terminarea atacului, sperăm să o putem închide. Nu avem date să vă arătăm pentru această direcţie, dar suntem entuziasmaţi de asta.
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.
Acum vreau să închid cu o altă poveste, care cred că reprezintă o altă posibilitate - poate aceste molecule, dacă am putea deţine control ultra-precis, pot fi folosite chiar pentru creier pentru a crea un tip de proteză, o proteză optică. Tocmai v-am spus că stimulatorii electrici nu sunt ceva neobişnuit. 75.000 de oameni bolnavi de Parkinson au implantaţi adânc în creier stimulatori. Poate 100.000 de oameni au implanturi cohleare care le permit să audă. Şi mai este un motiv pentru care ar trebui puse aceste gene în celule. A apărut o nouă speranţă pentru terapia genelor deoarece viruşii precum vectorul adeno-asociat, pe care probabil majoritatea de aici îl avem şi care nu manifestă nici un simptom, a fost folosit pe sute de pacienţi pentru livrarea genelor în creier sau corp. Şi până acum nu au fost efecte adverse serioase asociate cu acest virus.
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.
A mai rămas un lucru important de spus, proteinele însele, care provin din alge, bacterii şi ciuperci şi de peste tot din copacul vieţii. Majoritatea dintre noi nu au ciuperci sau alge în creier, aşadar ce va face creierul nostru când le vom introduce în el ? Vor fi tolerate celulele ? Va reacţiona sistemul imunitar ? Ne aflăm încă la început - deocamdată încă nu am încercat pe oameni - dar lucrăm la diferite studii pentru a testa şi examina asta. Până acum nu am observat reacţii evidente, de nici un fel de severitate generate de aceste molecule sau de iluminarea creierului cu lumină. Aşadar ne aflăm prea la început să fim avansaţi, dar suntem foarte entuziasmaţi.
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.
Am dorit să închid cu o poveste, care credem că ar putea reprezenta o aplicaţie clinică. În prezent sunt foarte multe forme de orbire în care fotoreceptorii, senzorii noştri de lumină aflaţi în partea din spate a ochiului, au dispărut. Şi retina, bineînţeles, este o structură complexă. Să mărim imaginea, astfel încât să vedem mai multe detalii. celulele fotoreceptoare sunt reprezentate în partea de sus, iar semnalele detectate de fotoreceptori sunt transformate prin diferite calcule, până când, în final, stratul de celule de la bază, celulele ganglionare, transmit informaţiile la creier, unde putem observa că are loc percepţia. În multe forme de orbire, precum retinopatia pigmentară, sau degenerarea maculară, celulele fotoreceptoare sunt atrofiate sau distruse. Cum pot fi reparate ? Nu este clar nici dacă un medicament ar putea determina refacerea, deoarece acesta nu are de ce să se prindă. Pe de altă parte, totuşi lumina poate intra în ochi. Ochiul este încă transparent şi poţi introduce lumină în el. Cum ar fi să putem lua doar aceste canalrodopsine şi alte molecule şi să le inserăm în câteva dintre aceste celule pentru a le transforma în mici camere video. Şi deoarece sunt atât de multe celule de acest tip în ochi, posibil, ar putea fi camere video de foarte mare rezoluţie.
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.
Cam aceasta este o parte din munca noastră. Cercetarea este coordonată de unul dintre colaboratorii noştri Alan Horsager de la USC - University of Southern California şi dorită a fi comercializată de către compania Eos Neuroscience fondată de NIH. Ce puteţi vedea aici este un şoarece, care încearcă să rezolve un labirint. Este un labirint cu şase braţe. Şi este un pic de apă în labirint pentru a motiva şoarecele să se mişte, altfel ar sta pur şi simplu. Bineînţeles că obiectivul acestui labirint este ca şoarecele să iasă din apă şi să se urce pe platforma micuţă care este luminată de sus. Şoarecii sunt isteţi, aşadar acest şoarece rezolvă până la urmă labirintul dar prin căutări bazate pe forţă brută. Înoată pe fiecare braţ până când ajunge în final la platformă. Aşadar nu îşi foloseşte vederea pentru asta. Şoareci aceştia sunt alţii şi au mutaţii diferite, care sugerează diferite tipuri de orbire, ce afectează oamenii. Am încercat să fim atenţi în selectarea acestor modele diferite, pentru a avea o abordare generalizată
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.
Cum rezolvăm asta ? Vom face exact ce am arătat mai devreme. Vom lua aceşti fotosenzori pentru lumină albastră şi îi vom insera în stratul de celule aflat în mijlocul retinei din spatele ochiului pentru a îi transforma în camere video. Ca şi cum am instala celule solare în aceşti neuroni pentru a-i face sensibili la lumină. în interiorul lor, lumina este transformată în electricitate. Acest şoarece era orb înainte să începem experimentul, cam de două săptămâni, şi a primit o doză din molecula fotosensibilă cu ajutorul unui virus. Acum puteţi vedea că animalul chiar poate evita pereţii şi să ajungă pe această mică platformă conştientizând cu ajutorul ochilor săi. Şi pentru a sublinia puterea acestui fapt: aceste animale sunt capabile să se urce pe platformă la fel de repede ca orice alte animale, care au văzut toată viaţa lor. Astfel, acest studiu pre-clinic, cred că generează speranţă pentru tot felul de lucruri pe care sperăm să le facem în viitor.
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.
În final, doresc să subliniez că, de asemenea, explorăm noi modele de afaceri pentru acest domeniu al neurotehnologiei. Dezvoltăm aceste instrumente, dar le împărtăşim gratuit cu alte sute de grupuri din toată lumea, astfel încât oameni să le studieze şi să le încerce în diferite tipuri boli mentale. Speranţa noastră este că, prin descifrarea circuitelor din creier la un nivel de abstractizare ce ne-ar permite repararea şi proiectarea lor, am putea ca pe aceste tulburări mentale, menţionate mai devreme, din care practic nici una nu poate fi vindecată să le facem să devină istorie în secolul 21.
Thank you.
Vă mulţumesc.
(Applause)
(Aplauze)
Juan Enriquez: So some of this stuff is a little dense.
Juan Enriquez: O parte din informaţii sunt foarte dense.
(Laughter)
(Râsete)
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.
Dar implicaţiile posibilităţii de a controla atacurile de epilepsie cu ajutorul luminii în locul drogurilor şi ţintirea doar a zonelor specifice este un prim pas. Al doilea lucru pe care cred că te-am auzit că l-ai spus este că am putea controla creierul cu două culori. Ca un întrerupător. Ed Boyden: Exact.
Ed Boyden: That's right.
JE: Ceea ce ar face ca impulsul care tranzitează creierul să fie în cod binar.
JE: Which makes every impulse going through the brain a binary code.
EB: Corect, da.
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.
Aşadar cu lumina albastră, putem trimite informaţia şi ar lua forma lui unu. Şi prin închiderea ei, mai mult sau mai puţin ar fi zero. Aşadar speranţa noastră este de a construi coprocesoare pentru creier care ar lucra cu creierul, astfel încât să amplificăm funcţii la oamenii cu dizabilităţi
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: Şi în teorie, asta înseamnă că în timp ce şoarecele simte, miroase, aude, atinge, poate fi modelat într-un şir de unu şi zero.
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.
Bineînţeles, da. Sperăm să o folosim ca metodă de testare a codurilor neuronale, care determină anumite comportamente, gânduri şi sentimente, şi să le folosim pentru o mai bună înţelegere a creierului.
JE: Does that mean that someday you could download memories and maybe upload them?
JE: Acest lucru ar putea însemna că odată cândva am putea descărca memoriile şi poate chiar să le încărcăm ?
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: Ei bine, la asta am început deja să lucrăm intens. Acum lucrăm la un studiu prin care încercăm să dotăm creierul şi cu elemente de înregistrare. Aşadar putem înregistra informaţii şi apoi să le transferăm înapoi -- un mod de calcul al necesităţilor creierului pentru a creşte puterea lui de procesare a informaţiei.
JE: Well, that might change a couple things. Thank you.
JE: Ei bine, asta ar putea schimba câteva lucruri. Mulţumesc. (EB: Mulţumesc)
EB: Thank you.
(Aplauze)
(Applause)