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.
Fundera lite på din dag. Du vaknade, kände frisk luft mot ditt ansikte när du gick ut, mötte nya kollegor som du diskuterade med och blev upplyft när du upptäckte något nytt. Men jag lovar att det är nåt du inte tänkte på, något som ligger så nära att du troligen inte tänker på det ofta. Och det är att alla upplevelser, känslor, val och handlingar förmedlas av datorn i ditt huvud som kallas hjärnan.
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.
Hjärnan kanske inte ser märkvärdig ut från utsidan några kilon rosa-grått kött, oformligt, men det senaste seklets neurovetenskap har låtit oss zooma in på hjärnan och se detaljerna som finns inuti och de har sagt oss att hjärnan är en otroligt komplicerad krets, uppbyggd av hundratals miljarder celler som kallas neuroner. Till skillnad från en mänskligt designad dator som består av ett litet antal olika delar som vi vet hur de funkar, för vi människor designade dem, består hjärnan av tusentals olika typer av celler, kanske tiotusentals. De har olika form, består av olika molekyler, de ansluter till olika regioner i hjärnan och de ändrar sina beteenden i olika sjukdomstillstånd.
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.
För att vara konkret: Det finns en klass celler, en ganska liten, inhiberande cell, som tystar sina grannar. Det är en av cellerna som förtvinar vid sjukdomar som schizofreni. Den kallas för korgcell. Och denna cell är en av de tusentals cellsorter vi lär oss om. Nya upptäcks varje dag. Ett andra exempel: dessa stora pyramidceller, som kan sträcka sig långt i hjärnan. De är excitatoriska. Och dessa är några av cellerna som kan vara överaktiva i sjukdomar som epilepsi. Alla dessa celler är otroliga elektriska anordningar. De får indata från tusentals partners och beräknar sina egna elektriska utdata vilka, om de går över en viss gräns, fortsätter till tusentals partners längre ner och denna process, som tar en millisekund eller så, sker tusentals gånger varje minut i alla dina 100 miljarder celler så länge du lever och tänker och känner.
So how are we going to figure out what this circuit does? Ideally, we could go through this circuit and turn these different kinds of cell on and off and see whether we could figure out which ones contribute to certain functions and which ones go wrong in certain pathologies. If we could activate cells, we could see what powers they can unleash, what they can initiate and sustain. If we could turn them off, then we could try and figure out what they're necessary for. And that's the story I'm going to tell you about today. And honestly, where we've gone through over the last 11 years, through an attempt to find ways of turning circuits and cells and parts and pathways of the brain on and off, both to understand the science and also to confront some of the issues that face us all as humans.
Hur ska vi lista ut vad denna krets gör? Helst skulle vi gå igenom kretsen, slå av och på de olika cellerna och se om vi kan ta reda på vilka som bidrar till olika funktioner och vilka som gör fel i olika patologier. Kan vi aktivera celler så kan vi se vilka krafter de har, vad de kan hålla igång. Om vi kan stänga av dem, skulle vi kunna lista ut vad de är viktiga för. Och det är det jag kommer berätta om idag. Det vi gått igenom de senaste 11 åren, i försök att hitta sätt att slå av och på kretsar och celler och delar i hjärnan både för att förstå vetenskapen och för att möta de problem som påverkar alla oss människor.
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.
Innan jag berättar om teknologin, är de dåliga nyheterna att en stor del av oss i detta rum om vi lever tillräckligt länge, kommer stöta på en hjärnsjukdom. En miljard personer har redan haft någon typ av hjärnsjukdom som handlingsförlamar dem och siffrorna gör inte detta rättvisa. Dessa sjukdomar, schizofreni, Alzheimers, depression, beroende, de stjäl inte bara vår tid att leva, de ändrar vilka vi är. De tar vår identitet och ändrar våra känslor, och förändrar vilka vi är som personer.
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.
På 1900-talet, steg ett hopp tack vare utvecklingen av läkemedel för behandling av hjärnsjukdomar, och trots att många läkemedel utvecklats som mildrar symptomen kan i praktiken ingen av sjukdomarna bli botad. En anledning till det är att vi badar hjärnan i kemikalien. Denna komplicerade krets av tusentals olika typer av celler dränks i en substans. Det är kanske därför de flesta av läkemedlen på marknaden också ger någon typ av allvarlig biverkning.
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?
En del personer hjälps genom elektriska stimulatorer som implanteras i hjärnan. och för Parkinsons, har cochleaimplantat, verkligen kunnat ge någon sorts mildring till personer med vissa sorters sjukdom. Men elektricitet går i alla riktningar längs minsta motståndets väg vilket är var det uttrycket kommer från. Det kommer också påverka normala kretsar utöver de abnorma som du vill fixa. Så vi kommer tillbaka till tanken om ultraprecis kontroll. Kan vi skicka in information precis dit vi vill?
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.
När jag började med neurovetenskap för 11 år sedan hade jag jobbat som elektrisk ingenjör och fysiker och det första jag tänkte var om dessa neuroner är elektriska anordningar behöver vi bara hitta ett sätt att göra de elektriska ändringarna på håll Om vi kan starta elektriciteten i en cell, men inte dess grannar, har vi ett verktyg för att aktivera och stänga ner olika celler, lista ut vad de gör och hur de bidrar till de nätverk de befinner sig i. Det ger oss också den extrema precision vi behöver för att lösa de beräkningar i kretsen som gått fel.
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.
Hur gör vi detta? Det finns många molekyler i naturen, som kan omvandla ljus till elektricitet. Tänk på dem som små proteiner som beter sig som solceller. Om vi kan installera dessa molekyler i neuronerna, så kan deras elektricitet drivas med ljus. och deras grannar, som inte har molekylen, är som vanligt. Det behövs ett trick till för att detta ska ske och det är hur man får in ljus i hjärnan. Och för att göra det - hjärnan känner inte smärta - kan man utnyttja allt arbete som lagts ner på internet och kommunikationer - optiska fibrer kopplade till lasrar som du kan använda till att aktivera, i djur till exempel, innan kliniska studier, dessa neuroner och se vad de gör.
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.
Så hur gör vi detta? Runt 2004, i ett samarbete med Gerhard Nagel och Karl Deisseroth, förverkligades denna vision. Det finns en alg som lever i naturen, och den letar sig mot ljus för att ha effektivast fotosyntes. Och den känner ljus med en liten ögonfläck, som funkar nästan som våra ögon. I dess membran, eller gräns, har den små proteiner som kan omvandla ljus till elektricitet. Dessa molekyler kallas kanalrodopsiner. Och varje protein beter sig precis som solcellerna jag nämnde. När blått ljus träffar det, öppnas ett litet hål som låter laddade partiklar åka in i ögonfläcken och ger ögonfläcken en elektrisk signal som en solcell som laddar ett batteri.
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.
Vi behöver ta dessa molekyler och installera dem i neuroner. Eftersom det är ett protein finns det inkodat i DNA:t hos denna organismen. Vi kan ta det DNA:t, flytta det till en genterapivektor, som ett virus, och ge det till neuronerna. Det var en väldigt produktiv tid för genterapin och massor med virus uppfanns. Så detta var enkelt att genomföra och en tidig morgon sommaren 2004 testade vi, och det funkade på första försöket. Du tar DNA:t och sätter det i en neuron. Neuronen använder sitt naturliga maskineri för att bygga proteiner för att skapa dessa ljuskänsliga proteiner och installera dem över hela cellen, som att installera solceller på ett tak och därefter har du en neuron som kan aktiveras med ljus. Detta är väldigt kraftfullt.
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.
Ett av tricken är att lista ut hur generna levereras till cellerna du vill och inte alla grannar. och det går; du kan finjustera virusen så de träffar vissa celler men inte andra och det finns andra genetiska trick för att skapa ljusaktiverade celler. Detta fält kallas nu optogenetik. Som exempel på vad du kan göra kan du ta ett komplext nätverk, använda ett virus för att leverera genen till en typ av cell i det täta nätverket. När du sedan belyser hela nätverket kommer bara den typen att aktiveras.
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.
Som exempel, ta korgcellerna jag pratade om tidigare- de som förtvinade i schizofreni, och som är inhiberande. Om vi kan leverera genen till dessa celler och de inte ändras av insättningen av genen, så kommer blixtar av blått ljus inuti hela hjärnan, att aktivera bara dessa celler. När ljuset släcks blir cellerna som vanligt igen och har inte påverkats negativt. Utöver att studera vad dessa celler gör, vad deras styrka är i hjärnan, kan man också försöka lista ut om vi kan skruva upp aktiviteten på cellerna om de faktiskt är förtvinade.
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.
Jag vill berätta några korta historier om hur vi använder detta både på vetenskaplig, klinisk och preklinisk nivå. En av frågorna vi ställde var, vilka är signalerna som ger belöningskänsla i hjärnan? För om du kan hitta dessa är de några av signalerna som driver inlärning. Hjärnan vill göra mer av det som gav belöningen. Dessa signaler är inblandade i sjukdomar som beroende. Om vi kan hitta vilka celler som gör detta kanske vi kan hitta nya mål som nya läkemedel kan designas och testas mot, eller platser där elektroder kan sättas in för personer med allvarliga nedsättningar. Vi kom på en väldigt enkel idé i samarbete med Fiorellagruppen, där en sida av en liten låda, om djuret sätts där, får det en ljuspuls för att göra olika celler i hjärnan ljuskänsliga. Om dessa celler kan förmedla belöning kommer djuret gå dit oftare och oftare. Och det är det som händer.
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.
Djuret går till höger och sätter nosen där, och får en ljuspuls varje gång. Och han gör det hundratals gånger. Dessa är dopaminneuroner, i njutningscentra av hjärnan. Vi har visat att kort aktivering av dessa är tillräckligt för att gynna lärande. Nu kan vi generalisera denna idé. Istället för en punkt i hjärnan kan vi ha anordningar som täcker hjärnan, som kan leverera ljus i tredimensionella mönster, samlingar med optiska fibrer var och en kopplad till en egen liten ljuskälla. Och sen kan vi göra saker in vivo som tidigare bara gjorts i provskålar, som storskalig testning av hela hjärnan efter signalerna som orsakar vissa saker eller som kan vara bra kliniska mål för att behandla hjärnsjukdomar.
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.
En historia som jag vill berätta är om hur vi kan hitta mål för att behandla posttraumatiskt stressyndrom- en sorts okontrollerad oro och rädsla. Och en sak vi gjorde var att använda en klassisk modell av rädsla. Detta kommer ända från Pavlovs dagar. Det kallas Pavlovs rädslebetingning - där ett ljud slutar med en elchock. Elchocken gör inte ont men är irriterande. Och över tid - här har vi en mus, en bra djurmodell som används i liknande försök- lär sig djuret att vara rädd för ljudet. Djuret reagerar genom att stelna, som ett rådjur i strålkastare. Frågan är, vilka mål i hjärnan kan vi hitta som låter oss komma över rädslan? Vi spelar ljudtonen igen efter den blivit förknippad med rädsla men vi aktiverar olika mål i hjärnan med hjälp av den optiska fibern jag berättade om tidigare för att lista ut vilka mål som kan hjälpa hjärnan komma över minnet av rädslan.
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.
Denna korta video visar ett av dessa mål som vi jobbar med nu. Här testas ett område i prefrontalkortex, en region där kognition kan övervinna motbjudande känslor. Djuret kommer höra ljudet, och se ljusblixten. Ljudet saknas, men ni ser hur djuret stelnar. Tonen brukade innebära dåliga nyheter. Nere i hörnet finns en klocka som visar att djuret är ca 2 min in i detta. Och nu nästa klipp som sker endast 8 min senare. Samma ljud låter, och ljuset kommer blixtra igen. Okej, där sker det. Precis nu. Och nu kan ni se, 10 min in i experimentet, att vi har utrustat hjärnan genom att fotoaktivera detta område för att övervinna uttrycket av minnet av rädslan.
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.
De senaste åren, har vi gått tillbaka till livsträdet för vi ville hitta sätt att stänga av kretsar i hjärnan. Om vi kan göra det vore det extremt kraftfullt. Att radera celler i ett par millisekunder eller sekunder låter oss lista ut vilka uppgifter de har i kretsarna de finner sig i. Vi har undersökt organismer från hela livsträdet - och vi ser alla riken utom djurriket på olika sätt. Vi hittade olika sorters molekyler, olika rodopsiner, som reagerar på grönt och gult ljus. De gör tvärtemot de molekyler jag nämnde tidigare, kanalrodopsin, som aktiverades med blått ljus.
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.
Låt oss ta ett exempel på vad vi tror kommer hända. Ta exempelvis epilepsi, där hjärnan är överaktiv. Om läkemedelsbehandling misslyckas, är en lösning att ta bort en del av hjärnan. Det är permanent och det kan ge bieffekter. Tänk om vi kunde stänga av den delen en kort stund, tills anfallet försvinner, och sedan återställa hjärnan till ursprungsläget, som ett dynamiskt system som fås ner till ett stabilt tillstånd. Denna animation förklarar detta konceptet där cellerna kan stängas av med ljus. Så vi skickar in ljus, och under tiden det tar att stänga ner ett anfall hoppas vi stänga av cellerna. Vi har ingen data att visa, men vi är väldigt exalterade över det.
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.
Jag vill avsluta med en berättelse som vi tror kan vara ytterligare en möjlighet - att dessa molekyler, om de kontrolleras exakt, kan användas i hjärnan som en ny typ av protes, en optisk protes. Jag berättade att elektriska stimulatorer är vanliga. 75 000 personer med Parkinsons har sådana implantat. Runt 100 000 personer har cochleaimplantat som ger dem hörsel. Problemet är hur generna hamnar i cellerna. Hoppet finns att genterapin utvecklas med hjälp av virus som adenoviruset, som de flesta här inne har, men inte ger några symptom, och har använts på hundratals patienter för att leverera gener till hjärna eller kropp. Än så länge har inga allvarliga biverkningar kunnat kopplas till viruset.
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.
Sista elefanten i rummet, proteinerna själva, som kommer från alger och bakterier och svamp och från hela livsträdet. De flesta har inte svamp eller alger i hjärnan, vad gör hjärnan om vi sätter in dem? Kommer cellerna eller immunsystemet reagera? Än har inte försök gjorts på människor, men vi jobbar med olika studier för att undersöka detta och än har vi inte sett allvarliga reaktioner mot dessa molekyler eller mot belysningen av hjärnan. Så det är tidigt, men vi är exalterade.
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.
Jag vill sluta med en berättelse, som vi tror möjligen kan vara en klinisk tillämpning. Det finns många sorters blindhet där fotoreceptorerna, våra ljussensorer som sitter bak i ögat, är borta. Och näthinnan har komplex uppbyggnad. Vi zoomar in så vi ser mer detaljer. Cellerna med fotoreceptorer syns högst upp, och signalen som detekteras av receptorerna görs om på olika sätt tills ett lager med celler längst ner, ganglionceller, skickar informationen till hjärnan, där vi uppfattar det. I många sorters blindhet, som retinitis pigmentosa, eller förändringar i gula fläcken, har fotoreceptorerna förtvinat eller förstörts. Hur kan detta repareras? Det är inte säkert att ett läkemedel kan laga detta, då det inte finns något för det att binda till. Å andra sidan kan ljus fortfarande nå ögat. Ögat är genomskinligt och ljus kommer in. Om vi bara kunde ta kanalrodopsin och andra molekyler och installera i en del av de andra cellerna för att göra om dem till små kameror. Eftersom det finns så många celler i ögat kan de eventuellt ge en bild med hög upplösning.
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.
Detta är en del av vad vi gör. Det drivs av en av våra samarbetare, Alan Horsager från USC, och kan bli kommersiellt via företaget Eos Neuroscience, som drivs av NIH. Här är en mus som försöker klara en labyrint. Det är en 6-armad labyrint med vatten i, så att musen ska röra sig, annars sitter han still. Målet med labyrinten är att komma bort från vattnet till en plattform som finns under porten i toppen. Möss är smarta, så han löser det till slut, men han kämpar hårt. Han simmar längs varje del tills han når målet. Han använder inte synen för det. Mössen har olika mutationer som motsvarar olika sorters blindhet som påverkar människor. Vi vill noggrant kolla på dessa olika modeller för att hitta ett generellt tillvägagångssätt.
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.
Hur ska vi göra detta? Genom att göra som vi sa tidigare. Ta fotoreceptorer som svarar på blått ljus och installera i ett cellskikt mitt i näthinnan bak i ögat och omvandla dem till kameror- precis som att montera solceller på neuronerna för att göra dem ljuskänsliga. Ljus omvandlas till elektricitet på dem. Denna mus var blind ett par veckor innan experimentet och fick en dos ljuskänsliga molekyler från ett virus. Som ni ser, djuret undviker väggarna och går till plattformen genom att använda sina ögon. För att visa styrkan i metoden: dessa djur hittar plattformen lika snabbt som djur som haft syn i hela sina liv. Denna prekliniska studie, ger hopp för de saker vi hoppas kunna göra i framtiden.
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.
Till slut vill jag påpeka att vi också utforskar nya affärsmodeller för detta fält. Vi utvecklar verktyg, men vi delar dem fritt med hundratals grupper över världen, så olika sjukdomar kan studeras och behandlas. Vårt hopp är att lista ut hjärnans kretsar på en nivå som låter oss reparera och designa dem, för att kunna ta de envisa sjukdomar jag berättade om tidigare, ingen av dem har botats än, och göra dem till historia detta århundrade.
Thank you.
Tack.
(Applause)
(Applåder)
Juan Enriquez: So some of this stuff is a little dense.
Juan Enriquez: En del saker är lite djupa.
(Laughter)
(Skratt)
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.
Men vad det innebär att kunna kontrollera anfall eller epilepsi, med ljus istället för läkemedel, och kunna sikta så specifikt är ett steg i rätt riktning. Det andra jag hörde var att ni nu kan kontrollera hjärnan i två färger som en på/av knapp.
Ed Boyden: That's right.
Ed Boyden: Det stämmer.
JE: Which makes every impulse going through the brain a binary code.
JE: Vilket gör alla impulser genom hjärnan till binär kod.
EB: Right. With blue light, we can drive information, and it's in the form of a one. And by turning things off, it's more or less a zero. Our hope is to eventually build brain coprocessors that work with the brain so we can augment functions in people with disabilities.
EB: Precis så, ja. Med blått ljus kan vi driva information, i form av en etta. Och genom att stänga ner saker, blir det en nolla. Vi hoppas att eventuellt kunna bygga hjälpprocessorer som jobbar med hjärnan för att stärka funktioner hos personer med handikapp
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: Och i teorin, innebär det, att det en mus känner, luktar, hör, rör, kan ni skriva ut som en rad ettor och nollor.
EB: Yeah. We're hoping to use this as a way of testing what neural codes can drive certain behaviors and certain thoughts and certain feelings and use that to understand more about the brain.
EB: Visst. Vi hoppas använda det som ett test för vilka koder som driver vissa beteenden, vissa tankar och känslor, och använda det för att förstå mer om hjärnan.
JE: Does that mean that someday you could download memories and maybe upload them?
JE: Betyder det att vi en dag kan ladda ner minnen och kanske ladda upp dem?
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: Vi jobbar på det. Vi försöker att lägga in delar som kan spela in i hjärnan. Så vi kan spela in och sen skicka tillbaka information och beräkna vad hjärnan behöver
JE: Well, that might change a couple things. Thank you.
för att kunna förstärka dess process.
JE: Det kan ändra saker. Tack. EB: Tack.
EB: Thank you.
(Applåder)
(Applause)