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.
Представьте свой обычный день. Вы проснулись, вдохнули свежий воздух, выйдя за дверь, встретили новых коллег и что-нибудь обсудили, поразились, узнав что-нибудь новое. Но готов поспорить, кое о чем вы не вспомнили - о чем-то настолько близком, что вы, возможно, об этом не так часто думаете. А именно - о том, что все ощущения, решения и действия осуществляются посредством компьютера в вашей голове под названием мозг.
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.
Внешний вид мозга никак не отражает его устройства - розовато-сероватая, бесформенная масса, но за последние сотню лет нейробиология позволила нам заглянуть внутрь мозга, и увидеть, как непросто он устроен. От ученых мы узнали, что мозг - это невероятно сложная электросхема, состоящая из миллионов клеток, которые называются нейронами. В отличие от компьютера, созданного людьми, где количество деталей вполне обозримо - и мы знаем, как они работают, потому что это мы их сделали - мозг состоит из тысяч разновидностей клеток, может быть, даже десятков тысяч. Они разной формы; они состоят из разных молекул; и они тесно связаны с различными областями мозга. А также они меняют свое поведение при разных болезнях.
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.
Давайте конкретизируем. Есть клетки особого класса, которые подавляют и успокаивают соседние клетки. Они оказываются атрофированными, например, при шизофрении. Это корзинчатые нейроны. И это - один из тысяч видов клеток, которые мы изучаем. Каждый день открываются новые виды. Еще один пример: эти крупные клетки в форме пирамид могут охватывать значительную часть мозга. Они действуют возбуждающе. А эти клетки - одни из тех, которые становятся гиперактивными, например, при эпилепсии. Каждая из этих клеток - это невероятный электроприбор. Они получают импульс от тысяч соседей сверху цепочки и пересчитывают собственный электрический импульс, который, дойдя до определенного порога, перейдет к соседям вниз по цепочке. И этот процесс, занимающий около одной миллисекунды, происходит тысячи раз в минуту в каждой из ваших сотен миллионов клеток, все время, пока вы живете,
So how are we going to figure out what this circuit does?
думаете и чувствуете.
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.
Как же мы выясним, что делает эта электросхема? В идеале мы бы прошли по всей цепочке элементов, включая и выключая разные виды клеток, и отмечая, какие из них участвуют в тех или иных функциях, и какие работают неправильно при тех или иных патологиях. Если бы мы могли активировать клетки, мы бы увидели, что они запускают и за что они отвечают. Если бы могли их выключить, мы бы попытались понять, зачем они нужны. Об этом я собираюсь вам сегодня рассказать. И, честно говоря, последние 11 лет мы провели, выясняя, как эти схемы, клетки, и отделы мозга можно включать и выключать, чтобы понять их работу и преодолеть некоторые проблемы, которые стоят перед человечеством.
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.
Прежде чем я расскажу о технологии, я сообщу неприятную вещь: большинство из нас, если мы проживем достаточно долго, вероятно, получат расстройство мозга. Уже миллион людей имеют расстройство мозга, которое сделало их недееспособными. И цифрами этого не выразить. Эти нарушения - шизофрения, болезнь Альцгеймера, депрессия, зависимость - они не только отнимают наши годы жизни, но и меняют нас; они влияют на нашу индивидуальность и меняют эмоции - они меняют нас как людей.
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.
В 20 веке была надежда на разработку медикаментов, которые лечат расстройства мозга. И хотя были созданы новые препараты, которые могут ослаблять симптомы расстройств мозга, ни одно из них нельзя вылечить. И отчасти потому, что мы лечим мозг химически. Наша "электросхема", созданная из тысяч видов клеток, погружается в химическую субстанцию. Вот почему, наверное, большинство лекарств - но не все - имеют серьезные побочные эффекты.
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?
Некоторые люди чувствуют облегчение от электрических стимуляторов, имплантированных в мозг. И что касается болезни Паркинсона, улиточные имплантанты как раз смогли дать некоторое облегчение людям, страдающим от подобных расстройств. Но электрический импульс идет во все направления - по пути наименьшего сопротивления, в буквальном физическом смысле. Он влияет как на нормальные участки, так и на те, которые нужно исправить. Таким образом, мы снова пришли к проблеме очень точного контроля. Могли бы мы задавать импульсу точное место действия?
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.
Когда я 11 лет назад начал заниматься нейробиологией, у меня было образование электроинженера и физика, и первое, что мне пришло в голову, было то, что нейроны - это электроприборы, и все, что нужно сделать, это управлять этими приборами дистанционно. Если бы мы могли дать разряд одной клетке, не влияя на соседние, у нас был бы способ активировать и подавлять разные клетки, выяснить, как они участвуют в системе, в которую они встроены. Также это дало бы нам очень точный контроль, чтобы исправить те расчеты "электросхемы", которые были нарушены.
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.
Как же мы это сделаем? В природе существует множество молекул, которые могут преобразовывать свет в электричество. Можно представить их как молекулы белка, которые похожи на фотоэлементы. Если мы встроим эти молекулы в нейроны, этими нейронами можно будет управлять с помощью света. А их соседи без встроенных молекул будут нетронуты. Есть один фокус, который нужно проделать, чтобы это удалось - нужно, чтобы свет мог проникнуть в мозг. Для этого - кстати, мозг не чувствует боли - и, учитывая достижения, применяемые для интернета, коммуникаций и так далее - можно поместить в мозг оптоволокно, которое можно использовать, например, на животных в преклинических исследованиях, активируя нейроны и наблюдая за ними.
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.
Итак, как это работает? Примерно в 2004 году в сотрудничестве с Герхардом Нэйджелом и Карлом Дайссеротом мы придумали, как воплотить эту идею. Есть вид свободно плавающих морских водорослей, которые ориентируются по свету, чтобы оптимально фотосинтезировать. Они улавливают свет небольшим глазком, который работает не так, как работает глаз. В его мембране или оболочке есть белки, которые преобразуют свет в электричество. Эти белки называются каналродопсином. И эти белки действуют как фотоэлементы, о которых я говорил. Когда светит синий свет, белок приоткрывается и позволяет частицам света проникнуть в глазок. И таким образом глазок получает электрический сигнал как солнечная батарея, которую заряжают фотоны.
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.
То есть нам нужно взять эти молекулы и каким-то образом встроить их в нейроны. А поскольку это белок, он зашифрован в ДНК этого организма. То есть нужно взять этот ДНК, создать на его основе вектор генной терапии наподобие вирусного, и доставить его в нейроны. Это было продуктивное время в генной терапии, вирусы стали использовать для доставки генетического материала. Наша задача оказалась легко выполнимой. И одним ранним летним утром 2004 года нам удалось реализовать это с первой попытки. Берется этот ДНК и закладывается в нейрон. После этого нейрон средствами собственной строительной системы производит эти чувствительные к свету белки и распределяет их по всей клетке, наподобие солнечных батарей на крыше. И в результате этого получается нейрон, который можно активировать светом. Очень эффективный метод.
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.
Одной из проблем было понять, как доставить гены в нужные клетки и избежать его попадания в соседние. Это оказалось возможным. Можно "выстрелить" вирусом, так что он попадет в определенные клетки. Есть и другие генетические хитрости для получения клеток, которые активируются светом. Эту методику называют сейчас оптогенетикой. И в качестве примера ее возможностей: можно взять целую сеть клеток и использовать вирус, чтобы доставить ген только в один вид клеток этой сплетенной сети. Затем, когда свет попадет на всю сеть, активируется только один тип клеток.
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.
Например, рассмотрим корзинчатые нейроны, о которых я говорил ранее - те, которые атрофируются при шизофрении, они работают на подавление. Если мы отправим этот ген в эти клетки, и влияние гена на нее не изменит ее кардинально - а затем осветим всю систему клеток мозга, то включатся только эти клетки. Без света эти клетки вернутся в нормальное состояние, то есть они к этому вполне расположены. С помощью этого можно не только изучать клетки и их участие в работе мозга, но и понять, удастся ли вернуть активность этих клеток, если они были атрофированы.
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.
Сейчас я расскажу вам о том, как мы используем это в научных, клинических и предклинических целях. Мы решили выяснить, какие сигналы в мозге передают ощущение поощрения. Потому что если найти их, то их можно использовать, чтобы мотивировать обучение. Мозг готов работать больше, если его поощряют. Эти сигналы передаются искаженно, например, при зависимостях. Поняв, какие клетки отвечают за эти сигналы, можно обнаружить новые отделы, чтобы лечить или блокировать их, или найти, куда подключить электроды при особенно тяжелых нарушениях. Чтобы это сделать, мы разработали простую схему в сотрудничестве с компанией Фиорелла груп. Если в одну половину этой коробки попадает крыса, она получает вспышку света, и часть клеток ее мозга становится чувствительной к свету. Если эти клетки отвечают за поощрение, крыса будет приходить туда снова и снова. Происходит следующее.
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.
Животное идет в правую часть коробки и, едва сунув туда нос, каждый раз получает вспышку синего света. И оно будет делать это сотни раз. Это - дофаминовые нейроны, они находятся в так называемых центрах удовольствия. Как видно, легкой активации достаточно, чтобы мотивировать. Теперь обобщим эту мысль. Вместо одной точки в мозге можно создать приборы, охватывающие весь мозг и доставляющие свет в трехмерные системы - системы оптоволокна, каждая из которых подключена к отдельному источнику света. Затем можно реализовать в живом организме то, что прежде было возможно только в лаборатории - например, мощное сканирование всего мозга для поиска сигналов, отвечающих за что-то конкретное. Или это может помочь определить цель при лечении расстройств мозга.
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.
Я хотел бы рассказать вам, как это поможет при посттравматическом стрессовом расстройстве - форме неконтролируемой тревоги и страха. Среди прочего мы адаптировали классическую модель тревоги, которая использовалась еще академиком Павловым. В данном случае это рефлекс страха, он вырабатывается через звук, за которым следует удар током. Удар не болезнен, но неприятен. Позже животное - мышь в данном случае, она прекрасно подходит для подобных экспериментов - учится бояться звука. Животное будет впадать в оцепенение, как олень, увидевший горящие фары. Теперь надо выяснить, какие области мозга позволят преодолеть этот страх? Для этого мы снова включаем звук - тот, что рефлекторно вызывает страх. Но мы активируем уже другие области мозга, используя оптоволокно с предыдущего слайда, чтобы определить, какие области мозга помогут мозгу забыть об этом страхе.
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.
Это небольшое видео покажет работу той области, с которой мы работаем. Это - область в префронтальной коре, она отвечает за способность преодолевать неприятные эмоции. Животное слышит звук - в этот момент вспыхивает свет. Видео без звука, но вы видите, что животное замерло. Этот звук вызывает у него страх. В левом нижнем углу есть небольшие часы, по ним видно, что животное в оцепенении уже 2 минуты. Теперь можно увидеть, что происходит через 8 минут. Прозвучит тот же звук и снова будет вспышка света. Вы как раз ее сейчас видите. Теперь, через 10 минут после эксперимента, вы видите, как мы повлияли на область мозга с помощью света, чтобы убрать из памяти этот страх.
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.
Последние пару лет мы исследовали линию эволюции жизни, чтобы выяснить, как отключать отдельные области мозга. Если научиться делать это, решится множество задач. Если можно удалять клетки за несколько миллисекунд или секунд, то можно выяснить их функцию в той области, где они находятся. Мы исследовали организмы на каждой ступени эволюции - каждое царство - кроме животных, которое исследовалось иначе. И мы нашли виды молекул, называемые халородопсины или археродопсины, они реагируют на зеленый и желтый свет. Они работают наоборот, нежели молекулы, о которых говорилось выше, каналродопсины, активируемые синим светом.
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.
Приведем пример, куда это может привести. Рассмотрим эпилепсию, при которой мозг гиперактивен. В то время как лекарства неэффективны, другой стратегией будет удалить часть мозга. Но это будет необратимо и повлечет побочные эффекты. Если бы мы могли просто отключить эту часть мозга на время, пока приступ не пройдет, и затем вернуть мозг в прежнее состояние - вроде динамической системы, которую возвращают в начальное состояние. Видео иллюстрирует эту концепцию, при которой мы заставляем клетки отключаться при вспышке света, пускаем луч света, чтобы, как мы надеемся, отключить клетки на время приступа эпилепсии. Мы пока не можем показать вам результаты, но мы многого от них ожидаем.
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.
Теперь я расскажу еще об одной возможности, которая заключается в том, что эти молекулы при точном контроле могут быть использованы в мозге, чтобы создавать новый вид протезирования - оптическое. Я говорил, что электрические стимуляторы нередки. 75 000 людей с болезнью Паркинсона имеют такие имплантанты. Около 100 000 человек имеют улитковые имплантанты, позволяющие слышать. Проблема в том, что эти гены нужно доставлять в клетки мозга. В генной терапии появилась новая надежда - потому что вирусы наподобие адено-ассоциированных, которые есть, наверное, у большинства в этом зале, не дают никаких симптомов. И они использовались на сотнях пациентов, чтобы доставить гены в мозг или другие органы. Пока не было обнаружено никаких вредных последствий от этого вируса.
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.
Есть еще одна очевидная проблема - сами белки, происходящие от водорослей плесени, и вообще отовсюду. У большинства в мозгу нет плесени и водорослей, так как мозг поведет себя, если мы их туда поместим? Будет ли мозг к ним толерантен? Отреагирует ли иммунная система? До сих пор не было проведено исследований на людях, но мы исследуем множество случаев, чтобы испытать этот метод. И пока что у нас не было серьезных реакций на эти молекулы или на освещение мозга светом. Если честно, это только начало, но мы ожидаем многого.
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.
Я собирался рассказать еще об одной возможности для клинического использования. Существует несколько форм слепоты, при которых зрительные рецепторы, наши световые сенсоры на дне глаза, атрофируются. А сетчатка имеет, разумеется, сложную структуру. Давайте рассмотрим ее ближе и в деталях. Зрительные рецепторы находятся в самом верху, сигналы, принимаемые этими рецепторами, трансформируются множеством расчетов, пока нижний слой клеток - ганглиоциты - не передадут информацию в мозг, где мы ее и воспринимаем. При слепоте, в том числе при пигментной дистрофии сетчатки - или макулярной дегенерации - зрительные рецепторы атрофируются или разрушаются. Как это можно было бы решить? Даже не ясно, мог бы медикамент вылечить это, потому что его ни к чему нельзя привязать. С другой стороны, свет по-прежнему попадает через глаз. Глаз по-прежнему прозрачен и свет попадает внутрь. Поэтому можно взять эти каналродорфины и другие молекулы и установить их на других клетках, превратив их в маленькие видеокамеры. Поскольку в глазу очень много этих клеток, потенциально это камеры с очень высоким разрешением.
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.
Этим мы и занимаемся. Этот проект ведет наш коллега, Алан Хорсагер из университета Южной Калифорнии, и его пытается сделать коммерческим компания Иос Ньюросаенс, основанная институтом здравоохранения. На видео мышь пытается выбраться из лабиринта. В лабиринте шесть ходов. Также в нем налита вода, чтобы заставить мышь двигаться, иначе она бы просто сидела. Цель лабиринта - выбраться из воды на небольшую платформу за верхним коридором. Мышь сообразительна, поэтому в итоге находит выход, но она ищет его простым перебором. Она заплывает в каждый коридор, пока не достигает платформы. Она не использует для этого зрение. Эти мыши представляют разные мутации, которые отображают разные виды человеческой слепоты. Мы изучаем эти модели с осторожностью, чтобы суметь прийти к обобщению.
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.
Как это сделать? Мы сделаем то, что было описано на предыдущем слайде. Мы возьмем сенсоры, реагирующие на синий свет, и установим их в слое клеток в центре сетчатки на задней стенке глаза и превратим их в камеры. Так же, как фотоэлементы распределялись по нейронам, чтобы сделать их светочувствительными. Свет превращается в них в электричество. Эта мышь была слепой за несколько недель до эксперимента и она получила дозу этих светочувствительных молекул с вирусом. Теперь вы видите, что зверек не натыкается на стены, выходит к платформе и снова может использовать зрение. Нужно подчеркнуть, что эти зверьки добирались до платформы так же быстро, как и те, которые всегда были зрячими. Эти преклинические исследования дают надежду на то, что можно воплотить в будущем.
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.
В заключение я хотел бы отдельно заметить, что также исследуем новые бизнес-модели для нейротехнологии. Мы разрабатываем эти приборы, но мы бесплатно распространяем их по всему миру, так что люди могут работать с ними и пытаться лечить нарушения. Наша надежда в том, что, найдя отделы мозга в теории, что позволит нам лечить и модифицировать их, мы сможем устранить уже упомянутые расстройства мозга, которые не поддаются лечению, и в 21 веке оставить их в прошлом.
Thank you.
Спасибо.
(Applause)
(Аплодисменты)
Juan Enriquez: So some of this stuff is a little dense.
Хуан Энрикес: Кое-что было немного непонятно.
(Laughter)
(Смех)
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.
Но умозаключения о возможности контроля над приступами эпилепсии с помощью света вместо лекарств и о возможности целенаправленно лечить только их это первый шаг. Второе, что я понял из вашей речи, было то, что мозгом можно управлять наподобие электричества. Через включение и выключение. Эд Бойден: Верно.
Ed Boyden: That's right.
ХЭ: То есть все импульсы в мозге становятся бинарным кодом.
JE: Which makes every impulse going through the brain a binary code.
ЭБ: Да, верно.
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.
Синим светом можно направлять информацию, он аналогичен фазе. А выключение клеток аналогично нулю. То есть мы надеемся создать мозговые компрессоры, которые будут работать с мозгом, и мы сможем вернуть утраченные функции мозга с нарушениями.
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.
ХЭ: И в теории это означает, что то, как мышь чувствует, нюхает, слышит, вы можете представить в виде ряда единиц и нулей.
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.
ЭБ: Конечно. Мы надеемся использовать это как способ проверки, какие нейронные коды могут направлять поведение, мысли и определенные чувства и использовать это, чтобы лучше изучить мозг.
JE: Does that mean that someday you could download memories and maybe upload them?
ХЭ: Значит ли это, что когда-нибудь вы сможете скопировать воспоминания или, возможно, записать в мозг новые?
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.
ЭБ: Над этим мы начали интенсивно работать. Сейчас мы пытаемся научиться помещать в мозг записывающие устройства. То есть мы можем сохранять информацию из мозга и отправлять ее обратно - определяя потребности мозга, чтобы усовершенствовать его способность обрабатывать информацию.
JE: Well, that might change a couple things. Thank you.
ХЭ: Что же, это могло бы кое-что изменить. Спасибо. (ЭБ: Спасибо).
EB: Thank you.
(Аплодисменты)
(Applause)