I want to tell you guys something about neuroscience. I'm a physicist by training. About three years ago, I left physics to come and try to understand how the brain works. And this is what I found. Lots of people are working on depression. And that's really good, depression is something that we really want to understand.
Hadd mondjak el önöknek valamit a neurológiáról. Fizikusi végzettségem van. Három éve otthagytam a fizikát, mert meg akartam érteni az agy működését. Elmondom, mire jutottam. Sokan kutatják a depressziót. Ez tényleg nagyszerű, a depresszió olyan, amit igazán szeretnénk megérteni.
Here's how you do it: you take a jar and you fill it up, about halfway, with water. And then you take a mouse, and you put the mouse in the jar, OK? And the mouse swims around for a little while and then at some point, the mouse gets tired and decides to stop swimming. And when it stops swimming, that's depression. OK? And I'm from theoretical physics, so I'm used to people making very sophisticated mathematical models to precisely describe physical phenomena, so when I saw that this is the model for depression, I though to myself, "Oh my God, we have a lot of work to do."
Vegyük az alábbi példát: fogjanak egy bögrét, töltsék meg félig vízzel. Aztán fogjanak egy egeret, és tegyék a bögrébe, rendben? Az egér egy kicsit körbeúszkál, majd egyszer csak kimerül, és úgy dönt, nem úszik tovább. Ez a depresszió pillanata. Eddig világos, ugye? Elméleti fizikusként megszoktam, hogy az emberek bonyolult matematikai modelleket kreálnak a fizikai jelenségek pontos leírására, úgyhogy amint megláttam ezt a depresszió-modellt, arra gondoltam: "Te jó ég, sok itt még a feladat."
(Laughter)
(Nevetés)
But this is a kind of general problem in neuroscience. So for example, take emotion. Lots of people want to understand emotion. But you can't study emotion in mice or monkeys because you can't ask them how they're feeling or what they're experiencing. So instead, people who want to understand emotion, typically end up studying what's called motivated behavior, which is code for "what the mouse does when it really, really wants cheese." OK, I could go on and on. I mean, the point is, the NIH spends about 5.5 billion dollars a year on neuroscience research. And yet there have been almost no significant improvements in outcomes for patients with brain diseases in the past 40 years. And I think a lot of that is basically due to the fact that mice might be OK as a model for cancer or diabetes, but the mouse brain is just not sophisticated enough to reproduce human psychology or human brain disease. OK?
De ez általános probléma a neurológiában. Vegyük például az érzelmeket. Sokan szeretnék megérteni őket. Ám nem tanulmányozhatjuk egereken vagy majmokon, mert őket nem faggathatjuk, hogy hogy érzik magukat, vagy mit élnek át éppen. Ehelyett, akik meg akarják érteni az érzelmeket, jellemzően az úgynevezett motivált viselkedést vizsgálják, úgy mint: "ezt teszi az egér, amikor nagyon, de nagyon akarja a sajtot." Sorolhatnám a végtelenségig. A Nemzeti Egészségügyi Intézet évi 5,5 milliárd dollárt költ neurológiai kutatásokra. Az utóbbi negyven évben mégsem állt be számottevő fejlődés az agyi betegségektől szenvedők körében. Sokat töprengtem ezen. Szerintem alapvetően az az oka, hogy az egerek kiváló kísérleti alanyok rák és diabétesz esetén, de az agyuk nem elég bonyolult az emberi pszichológia vagy agyi betegségek kutatásához. Ez is világos, ugye?
So if the mouse models are so bad, why are we still using them? Well, it basically boils down to this: the brain is made up of neurons which are these little cells that send electrical signals to each other. If you want to understand how the brain works, you have to be able to measure the electrical activity of these neurons. But to do that, you have to get really close to the neurons with some kind of electrical recording device or a microscope. And so you can do that in mice and you can do it in monkeys, because you can physically put things into their brain but for some reason we still can't do that in humans, OK? So instead, we've invented all these proxies. So the most popular one is probably this, functional MRI, fMRI, which allows you to make these pretty pictures like this, that show which parts of your brain light up when you're engaged in different activities. But this is a proxy. You're not actually measuring neural activity here. What you're doing is you're measuring, essentially, like, blood flow in the brain. Where there's more blood. It's actually where there's more oxygen, but you get the idea, OK?
Ha tehát az egérmodell ennyire rossz, miért nem próbálkozunk mással? Lényegében arról van szó, hogy az agy neuronokból épül fel, apró idegsejtekből, amik elektromos jeleket küldenek egymásnak. Ha meg akarjuk érteni az agy működését, tudnunk kell mérni a neuronok elektromos aktivitását. Ehhez azonban igencsak közel kell jutni hozzájuk, valamilyen elektromos felvevő készülékkel vagy mikroszkóppal. Ez megvalósítható az egereknél, megvalósítható a majmoknál, mert fizikai úton eszközt ültethetünk az agyukba, de valamiért még nem tudjuk megvalósítani az embernél, ugye? Ehelyett feltaláltunk mindenféle póteszközöket. Valószínűleg ez a legnépszerűbb, a funkcionális MRI, fMRI, amivel ilyen helyes kis képeket alkothatunk, ezek jelzik, mely területen villan valami az agyunkban, amikor különféle tevékenységeket végzünk. De ez csak póteszköz. Ezzel nem mérhető az idegi aktivitás. Lényegében csak olyasmit mérünk, mint az agyi véráramlás. Mérjük, hol van több vér. Csak azt jelzi, hol van több oxigén, azt meg úgyis sejtjük, nem?
The other thing that you can do is you can do this -- electroencephalography -- you can put these electrodes on your head, OK? And then you can measure your brain waves. And here, you're actually measuring electrical activity. But you're not measuring the activity of neurons. You're measuring these electrical currents, sloshing back and forth in your brain. So the point is just that these technologies that we have are really measuring the wrong thing. Because, for most of the diseases that we want to understand -- like, Parkinson's is the classic example. In Parkinson's, there's one particular kind of neuron deep in your brain that is responsible for the disease, and these technologies just don't have the resolution that you need to get at that. And so that's why we're still stuck with the animals. Not that anyone wants to be studying depression by putting mice into jars, right? It's just that there's this pervasive sense that it's not possible to look at the activity of neurons in healthy humans.
A másik lehetséges eszközünk az elektroenkefalográf: feltehetjük ezeket az elektródákat a fejünkre. Aztán mérhetjük az agyi hullámokat. Ez esetben az elektromos aktivitást mérjük. De nem mérjük a neuronok aktivitását. Azt mérjük, hogyan lötyög ide-oda az elektromos áram az agyunkban. Száz szónak is egy a vége, ezekkel a technikákkal nem azt mérjük, amit kéne. A legtöbb kór ugyanis, amiket meg akarunk ismerni – klasszikus példa erre a Parkinson-kór. Ebben a betegségben van egy sajátos neuronfajta, mélyen az agyban, az felel a betegségért, és a fenti technikákkal egyszerűen nem juthatunk el a szükséges megoldáshoz. Ezért ragadtunk le még mindig az állatoknál. Nem mintha bárki is úgy akarná kutatni a depressziót, hogy egereket dobál csuprokba, ugye? Csak van ez a zavaró érzés, hogy nem lehetséges megfigyelni a neuronok tevékenységét egészséges emberekben.
So here's what I want to do. I want to take you into the future. To have a look at one way in which I think it could potentially be possible. And I want to preface this by saying, I don't have all the details. So I'm just going to provide you with a kind of outline. But we're going to go the year 2100. Now what does the year 2100 look like? Well, to start with, the climate is a bit warmer that what you're used to.
Mondom, mit szeretnék tenni. A jövőbe repíteném önöket. Vessünk egy pillantást egy módszerre, ami szerintem megvalósítható. Elöljáróban hadd mondjam el, nincs minden részlet kidolgozva. Így tehát egyfajta vázlatot mutatok önöknek. 2100-ba fogunk utazni. Milyen lesz az az év? A klíma kicsit melegebb lesz a szokottnál.
(Laughter)
(Nevetés)
And that robotic vacuum cleaner that you know and love went through a few generations, and the improvements were not always so good.
Az általunk jól ismert és szeretett robotporszívó pedig átment már pár generáción, és nem feltétlenül lett tökéletesebb.
(Laughter)
(Nevetés)
It was not always for the better. But actually, in the year 2100 most things are surprisingly recognizable. It's just the brain is totally different. For example, in the year 2100, we understand the root causes of Alzheimer's. So we can deliver targeted genetic therapies or drugs to stop the degenerative process before it begins. So how did we do it? Well, there were essentially three steps. The first step was that we had to figure out some way to get electrical connections through the skull so we could measure the electrical activity of neurons. And not only that, it had to be easy and risk-free. Something that basically anyone would be OK with, like getting a piercing. Because back in 2017, the only way that we knew of to get through the skull was to drill these holes the size of quarters. You would never let someone do that to you.
Nem mindig fordulnak jobbra a dolgok. De 2100-ban meglepő módon szinte mindenre ráismerhetünk. Egyedül az agy lesz teljesen más. 2100-ban például már tudni fogjuk az Alzheimer-kór okait. Célzott génterápiával vagy gyógyszerekkel megállíthatjuk a pusztító folyamatot, még mielőtt elkezdődne. Hogy értük ezt el? Lényegében három lépéssel. Először is, ki kellett találnunk, hogyan teremtsünk elektromos kapcsolatot a koponyán át, így már mérni tudtuk a neuronok elektromos tevékenységét. Fontos, hogy mindez könnyű és kockázatmentes is legyen. Úgy, hogy bárkinek olyan természetes legyen, mint egy piercing beültetése. 2017-ben ugyanis csak úgy tudtunk áthatolni a koponyán, hogy ilyen negyeddollárosnyi lyukakat fúrtunk bele. Ugye, ezt soha nem engednék meg senkinek?
So in the 2020s, people began to experiment -- rather than drilling these gigantic holes, drilling microscopic holes, no thicker than a piece of hair. And the idea here was really for diagnosis -- there are lots of times in the diagnosis of brain disorders when you would like to be able to look at the neural activity beneath the skull and being able to drill these microscopic holes would make that much easier for the patient. In the end, it would be like getting a shot. You just go in and you sit down and there's a thing that comes down on your head, and a momentary sting and then it's done, and you can go back about your day. So we're eventually able to do it using lasers to drill the holes. And with the lasers, it was fast and extremely reliable, you couldn't even tell the holes were there, any more than you could tell that one of your hairs was missing. And I know it might sound crazy, using lasers to drill holes in your skull, but back in 2017, people were OK with surgeons shooting lasers into their eyes for corrective surgery So when you're already here, it's not that big of a step. OK?
A 2020-as években kísérletezni kezdtek az emberek – gigászi lyukak fúrása helyett mikroméretűeket fúrtak, hajszálvastagságú lyukakat. A diagnózis-állítás volt a fő cél – sokszor megesik az agyi betegségek felülvizsgálata során, hogy jó lenne belátni a koponya mélyébe, megfigyelni az idegsejtek aktivitását, és ilyen apró lyukakat fúrhatnánk bele, sokkal elviselhetőbb lenne a betegnek. Végül is annyi lenne, mint egy injekciószúrás. Az ember bemegy, leül, van ott valami, ami ráereszkedik a fejére, egy pillanatnyi szúrás, és kész, már mehet is vissza a dolgára. Valójában ezt már ma is tudjuk, lézerrel fúrunk ilyen lyukakat. A lézerrel gyors és rendkívül megbízható a folyamat, az így fúrt lyukak észre sem vehetők, mint ahogy azt sem vesszük észre, ha egy hajszálunk kihullik. Tudom, elég furán hangzik koponyába lézerrel lyukat fúrni, de már 2017-ben az embereknek természetes volt, hogy a korrekciós szemműtétek során lézerrel bombázzák a szemüket. Innen már csak egy ugrás, igaz?
So the next step, that happened in the 2030s, was that it's not just about getting through the skull. To measure the activity of neurons, you have to actually make it into the brain tissue itself. And the risk, whenever you put something into the brain tissue, is essentially that of stroke. That you would hit a blood vessel and burst it, and that causes a stroke. So, by the mid 2030s, we had invented these flexible probes that were capable of going around blood vessels, rather than through them. And thus, we could put huge batteries of these probes into the brains of patients and record from thousands of their neurons without any risk to them. And what we discovered, sort of to our surprise, is that the neurons that we could identify were not responding to things like ideas or emotion, which was what we had expected. They were mostly responding to things like Jennifer Aniston or Halle Berry or Justin Trudeau. I mean --
A következő lépést a 2030-as években tettük meg, már nem csak a koponyán hatoltunk át. A neuronaktivitás méréséhez közvetlenül az agyszövetbe kell bejutni. De valahányszor megbolygatjuk az agyszövetet, lényegében stroke-ot kockáztatunk. Megsérthetünk egy eret, ami elpattanhat, és kész a stroke. 2030 közepe táján már feltaláltuk a rugalmas szondákat, amik megkerülik a vérereket, nem kell áthatolni rajtuk. Ezáltal e szondák nagy kötegeit telepíthetjük a betegek agyába, és neuronjaik ezreiből készülhetnek felvételek, káros mellékhatás nélkül. Így mutattuk ki, nagy meglepetésünkre, hogy a beazonosított neuronok nem reagáltak sem gondolatokra, sem érzelmekre, ahogy azt elvártuk volna. Leginkább olyanokra reagáltak, mint Jennifer Aniston, Halle Berry, vagy Justin Trudeau. Úgy értem...
(Laughter)
(Nevetés)
In hindsight, we shouldn't have been that surprised. I mean, what do your neurons spend most of their time thinking about?
Utólag belátom, nem kellett volna ezen meglepődnünk. Úgy értem: mire gondolnak neuronjaink idejük legnagyobb részében?
(Laughter)
(Nevetés)
But really, the point is that this technology enabled us to begin studying neuroscience in individuals. So much like the transition to genetics, at the single cell level, we started to study neuroscience, at the single human level.
Komolyra fordítva a szót: ezzel a technikával képesek lettünk a neurológiát tanulmányozni egyénekben. Ahogy a genetika súlypontja az egyedi sejt szintjére helyeződött át, a neurológiát is emberi egyedszinten kezdjük tanulmányozni.
But we weren't quite there yet. Because these technologies were still restricted to medical applications, which meant that we were studying sick brains, not healthy brains. Because no matter how safe your technology is, you can't stick something into someone's brain for research purposes. They have to want it. And why would they want it? Because as soon as you have an electrical connection to the brain, you can use it to hook the brain up to a computer. Oh, well, you know, the general public was very skeptical at first. I mean, who wants to hook their brain up to their computers? Well just imagine being able to send an email with a thought.
De ez még odébb van. Ezek a technikák ugyanis kizárólag a gyógyászatban alkalmazhatók, vagyis beteg agyakat tanulmányoztunk, nem egészségeseket. Mindegy ugyanis, mennyire biztonságos egy technika, nem szúrhatunk akármit bárki agyába kutatási célzattal. Bele kell egyezniük. És miért egyeznének bele? Amint ugyanis elektromos kapcsolatot létesítünk az aggyal, számítógépre köthetjük. Az emberek többsége eleinte bizalmatlanul viszonyult ehhez. Úgy értem: ki akarná számítógépre csatlakoztatni az agyát? Képzeljék csak el, egyetlen gondolattal emailt küldhetnénk.
(Laughter)
(Nevetés)
Imagine being able to take a picture with your eyes, OK?
A szemünkkel fotózhatnánk.
(Laughter)
(Nevetés)
Imagine never forgetting anything anymore, because anything that you choose to remember will be stored permanently on a hard drive somewhere, able to be recalled at will.
Soha semmit nem felejtenénk el, mert bármit, amire emlékezni akarunk, tartósan tárolhatnánk valahol valamilyen meghajtón, ahonnan bármikor előhívható lenne.
(Laughter)
(Nevetés)
The line here between crazy and visionary was never quite clear. But the systems were safe. So when the FDA decided to deregulate these laser-drilling systems, in 2043, commercial demand just exploded. People started signing their emails, "Please excuse any typos. Sent from my brain."
Soha nem volt teljesen világos az őrültség és a képzelet közti választóvonal. De a rendszerek biztonságosak voltak. Amikor az FDA 2043-ban úgy döntött, engedélyezi a lézerfúró rendszereket, a kereskedelmi igény szinte robbant. Egyre többen írják alá így az emailjeiket: "Elnézést kérek az elírásokért. Az agyam küldte."
(Laughter)
(Nevetés)
Commercial systems popped up left and right, offering the latest and greatest in neural interfacing technology. There were 100 electrodes. A thousand electrodes. High bandwidth for only 99.99 a month.
Mindenfelé kereskedelmi rendszerek bukkantak fel a legújabb és legnagyszerűbb neurál-interfész technológiát kínálva. Száz elektróda volt. Aztán ezer. Nagy sávszélesség már havi 99 centért!
(Laughter)
(Nevetés)
Soon, everyone had them. And that was the key. Because, in the 2050s, if you were a neuroscientist, you could have someone come into your lab essentially from off the street. And you could have them engaged in some emotional task or social behavior or abstract reasoning, things you could never study in mice. And you could record the activity of their neurons using the interfaces that they already had. And then you could also ask them about what they were experiencing. So this link between psychology and neuroscience that you could never make in the animals, was suddenly there.
Rövidesen mindenki beszerezte. És ez lett a lényeg. A 2050-es években ugyanis aki neurológus, az bárkit fogadhat a laborjában, akár az utcáról is. Tanulmányozhatja bárki érzelmi életét, társas viselkedését vagy elvont gondolkodását, mindazt, amit egerekben képtelenség. A már meglévő idegi interfészekkel rögzítheti neuronaktivitásukat. Azt is megkérdezheti a pácienseitől, mit éltek át. Így egyszer csak létrejött a pszichológia és a neurológia közti kapcsolat, amit állatkísérletekkel sosem tudtunk megteremteni.
So perhaps the classic example of this was the discovery of the neural basis for insight. That "Aha!" moment, the moment it all comes together, it clicks. And this was discovered by two scientists in 2055, Barry and Late, who observed, in the dorsal prefrontal cortex, how in the brain of someone trying to understand an idea, how different populations of neurons would reorganize themselves -- you're looking at neural activity here in orange -- until finally their activity aligns in a way that leads to positive feedback. Right there. That is understanding.
Talán klasszikus példa volt erre az intuíció idegi alapjának felfedezése. Az "Aha!"-pillanat szikrája, amikor minden egybevág. Mindezt két kutató fedezte fel 2055-ben, Barry és Late, akik megfigyelték a dorzális prefrontális kéregben, mi zajlik az agyban, mikor valaki megpróbál megérteni valamit, hogyan szervezik magukat újjá a neuronok eltérő populációi – itt narancsszínnel láthatják a neurális aktivitást – míg végül az aktivitás úgy igazodik, hogy pozitív visszacsatoláshoz vezet. Épp itt. Ez a megértés.
So finally, we were able to get at the things that make us human. And that's what really opened the way to major insights from medicine. Because, starting in the 2060s, with the ability to record the neural activity in the brains of patients with these different mental diseases, rather than defining the diseases on the basis of their symptoms, as we had at the beginning of the century, we started to define them on the basis of the actual pathology that we observed at the neural level. So for example, in the case of ADHD, we discovered that there are dozens of different diseases, all of which had been called ADHD at the start of the century, that actually had nothing to do with each other, except that they had similar symptoms. And they needed to be treated in different ways. So it was kind of incredible, in retrospect, that at the beginning of the century, we had been treating all those different diseases with the same drug, just by giving people amphetamine, basically is what we were doing. And schizophrenia and depression are the same way. So rather than prescribing drugs to people essentially at random, as we had, we learned how to predict which drugs would be most effective in which patients, and that just led to this huge improvement in outcomes.
Végül tehát képesek lettünk feltárni, mi tesz minket emberré. És ez lényegében utat nyitott az orvostudomány nagyobb felfedezéseihez. A 2060-as évek elején ugyanis azáltal, hogy rögzíteni tudjuk a neurális aktivitást, a különféle agyi betegségektől szenvedő betegek agyában nem a tüneteik alapján határozzuk meg a betegségeiket, mint a század elején, hanem inkább az aktuális patológia alapján, amit neurális szinten figyeltünk meg. Egy figyelemzavaros beteg esetében például kimutattuk, hogy ez több tucat különböző betegség. Mindazon betegségeknek, amiket a század elején ADHD-nak neveztünk, valójában semmi közük egymáshoz, pusztán csak hasonlóak a tüneteik. Eltérő kezelést igényelnek. Visszatekintve tehát elég hihetetlennek tűnik, hogy a század elején ezt a sok különböző betegséget egyformán kezeltük, minden beteg amfetamint kapott, alapvetően ebből állt a kezelésük. Ugyanez igaz a skizofréniára és a depresszióra. De már nem véletlenszerűen írunk fel gyógyszert a betegeknek, mint régen, hanem előre tudjuk jelezni, melyik gyógyszer hogyan hat egyes betegekre, és ez az eredmények látványos javulásához vezetett.
OK, I want to bring you back now to the year 2017. Some of this may sound satirical or even far fetched. And some of it is. I mean, I can't actually see into the future. I don't actually know if we're going to be drilling hundreds or thousands of microscopic holes in our heads in 30 years. But what I can tell you is that we're not going to make any progress towards understanding the human brain or human diseases until we figure out how to get at the electrical activity of neurons in healthy humans. And almost no one is working on figuring out how to do that today. That is the future of neuroscience. And I think it's time for neuroscientists to put down the mouse brain and to dedicate the thought and investment necessary to understand the human brain and human disease.
Most pedig visszahoznám önöket 2017-be. Lehet, hogy mindez túlzásnak tűnt, vagy erőltetettnek hangzik. Valamennyire az is. Mármint valójában nem látok a jövőbe. Nem tudom pontosan, fúrunk-e többszáz vagy többezer mikroméretű lyukat a fejünkbe harminc éven belül. De azt elmondhatom, nem juthatunk előrébb sem az emberi agy, sem az agyi betegségek megértésének útján, míg rá nem jövünk, hogyan vizsgáljuk a neuronok elektromos aktivitását egészséges emberekben. Ma szinte senki nem fáradozik, nem gondolkozik ennek kidolgozásán. Ez a neurológia jövője. Szerintem ideje, hogy a neurológusok letegyék az egerek agyát, és annak szenteljék figyelmüket, arra fordítsanak pénzt, hogy megértsék az emberi agyat és az agyi betegségeket.
Thank you.
Köszönöm.
(Applause)
(Taps)