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.
Quero falar sobre neurociência. Sou físico de formação. Há cerca de três anos, deixei a física para tentar entender como o cérebro funciona. Eis o que descobri. Muita gente está estudando a depressão. Isso é muito bom, pois a depressão é algo que realmente queremos entender.
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."
Veja como isso é feito: você pega uma jarra e a enche com água até a metade. Então, pega um rato e o coloca na jarra. O rato nada por um tempo e, em algum momento, se cansa e decide parar de nadar. A depressão é quando ele desiste de nadar. Certo? Sou da física teórica e estou acostumado com pessoas criando modelos matemáticos bem sofisticados pra descrever fenômenos físicos com precisão. Quando vi que esse era o modelo para a depressão, pensei : "Meu Deus, temos muito trabalho a fazer".
(Laughter)
(Risos)
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?
Esse é um problema um pouco generalizado na neurociência. Por exemplo, as emoções. Muita gente quer entender as emoções. Mas não é possível estudar as emoções em ratos ou macacos, pois não dá para perguntar como eles estão se sentindo. Então, quem quer entender as emoções acaba estudando o chamado comportamento motivado, em outras palavras, o que o rato faz quando quer muito comer queijo. Poderia dar vários outros exemplos. A questão é que o Ministério da Saúde dos EUA gasta US$ 5,5 bilhões por ano em pesquisas na neurociência. Entretanto, quase não houve melhoras significativas nos resultados para os pacientes com doenças neurológicas nos últimos 40 anos. Acho que, em grande parte, isso se deve ao fato de que ratos podem ser um bom modelo para câncer ou diabetes, mas seu cérebro não é sofisticado para reproduzir a psicologia ou as doenças neurológicas dos humanos. Certo?
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?
Se os modelos com ratos são tão ruins, por que ainda são usados? Basicamente se resume a isso: o cérebro humano é composto por neurônios, que são pequenas células que enviam sinais elétricos umas às outras. Se você quer entender como o cérebro funciona, tem que ser capaz de medir a atividade elétrica desses neurônios. Mas, para isso, é preciso chegar muito perto dos neurônios com algum dispositivo de gravação elétrico ou microscópio. Você pode fazer isso em ratos e macacos, porque é possível colocar coisas no cérebro deles, mas ainda não podemos fazer o mesmo em humanos. Em vez disso, inventamos diversas alternativas. Talvez a mais popular seja a ressonância magnética funcional, IRMf, que permite obter imagens bonitas como esta, que mostram quais partes do cérebro acendem enquanto realizamos diferentes atividades. Mas isso é uma representação. A atividade neural não está sendo mensurada de fato. O que está sendo medido, essencialmente, é o fluxo sanguíneo no cérebro, onde há mais sangue. Na verdade, onde há mais oxigênio, mas vocês entenderam. A outra coisa que podemos fazer
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.
é o eletroencefalograma, colocando eletrodos na cabeça para medir as ondas cerebrais. Assim, a atividade elétrica realmente está sendo medida. Mas não a atividade dos neurônios. Estamos medindo correntes elétricas indo e voltando no cérebro. A questão é que as tecnologias que temos estão medindo a coisa errada. Porque, para a maioria das doenças que queremos entender... Parkinson seria um exemplo clássico. Em Parkinson, há um tipo de neurônio no cérebro que é responsável pela doença. E essas tecnologias simplesmente não têm a resolução necessária para chegar até eles. E é por isso que ainda estamos presos aos animais. Não que alguém queira estudar a depressão colocando ratos em jarras, mas há uma ideia generalizada de que não é possível examinar a atividade dos neurônios em humanos saudáveis.
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.
Então eis o que quero fazer. Quero levar vocês para o futuro, para imaginar uma maneira através da qual isso seria possível. Quero começar dizendo que não tenho todos os detalhes. Então, vou apenas traçar um esboço. Vamos ao ano de 2100. Como é o ano 2100? Bem, para começar, o clima está um pouco mais quente.
(Laughter)
(Risos)
And that robotic vacuum cleaner that you know and love went through a few generations, and the improvements were not always so good.
O aspirador automático que você conhece e ama passou por algumas gerações, e as melhorias nem sempre foram boas.
(Laughter)
(Risos)
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 sempre melhorou. Na verdade, a maioria das coisas é bem reconhecível no ano 2100. Já o cérebro é totalmente diferente. Por exemplo, em 2100, sabemos as causas da doença de Alzheimer, assim, podemos fazer terapias genéticas ou drogas específicas para impedir o processo degenerativo antes de ele começar. Como fizemos isso? Foram basicamente três etapas. O primeiro passo foi descobrir uma maneira de inserir conexões elétricas através do crânio para medir a atividade elétrica dos neurônios. Mas teria que ser fácil e livre de riscos. Algo que qualquer um poderia fazer, como colocar um piercing. Porque no passado, em 2017, a única maneira conhecida de atravessar o crânio era perfurando buracos do tamanho de moedas. Você nunca deixaria alguém fazer isso.
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?
Então, nos anos 2020, as pessoas começaram a experimentar, em vez dos buracos gigantescos, a fazer furos microscópicos, da espessura de um fio de cabelo. A ideia era ajudar no diagnóstico. Muitas vezes, no diagnóstico de distúrbios cerebrais, seria útil poder ver a atividade dos neurônios sob o crânio. Poder fazer perfurações microscópicas tornaria tudo mais fácil para o paciente. Seria como tomar uma injeção. Você apenas se senta, um aparelho desce na sua cabeça, há uma picada momentânea, e está feito. Você pode voltar para o seu dia. Então, finalmente conseguimos fazer isso usando laser para perfurar os buracos. É rápido e extremamente confiável, você não percebe que os buracos estão lá mais do que poderia perceber um fio de cabelo faltando. Sei que pode parecer maluco, usar lasers para fazer furos no crânio, mas, em 2017, procedimentos que emitiam lasers dentro dos olhos eram considerados normais em cirurgias de correção. Pensando assim, não é um passo tão grande.
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 --
O próximo passo, que aconteceu em 2030, foi além de atravessar o crânio. Para medir a atividade neural, é necessário fazer isso no próprio tecido cerebral. E o risco, sempre que algo é colocado no tecido cerebral, é provocar um derrame. Acertar um vaso sanguíneo e furá-lo, causando um derrame. Então, em meados de 2030, inventamos sondas flexíveis que transitavam ao redor dos vasos sanguíneos, e não através deles. Assim, poderíamos colocar várias dessas sondas nos cérebros dos pacientes e gravar milhares de seus neurônios sem qualquer risco. O que descobrimos, meio que para nossa surpresa, é que os neurônios que pudemos identificar não estavam respondendo a ideias ou emoções, que era o que esperávamos. Eles respondiam principalmente a coisas como Jennifer Aniston ou Halle Berry ou Justin Trudeau. Quero dizer...
(Laughter)
(Risos)
In hindsight, we shouldn't have been that surprised. I mean, what do your neurons spend most of their time thinking about?
Não deveríamos ficar tão surpresos. No que seus neurônios passam a maior parte do tempo pensando?
(Laughter)
(Risos)
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.
Realmente, o ponto é que essa tecnologia nos permitiu começar a estudar neurociência em indivíduos. Assim como a transição para a genética, em nível celular, começamos a estudar neurociência em nível individual.
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.
Mas ainda não estávamos lá. Porque essas tecnologias ainda estavam restritas para aplicações médicas, então, estávamos estudando cérebros doentes, não cérebros saudáveis. Não importa o quão segura a tecnologia é, não se pode inserir algo no cérebro de alguém para fins de pesquisa. A pessoa tem que querer. E por que alguém iria querer? Uma vez que você tiver uma conexão elétrica no cérebro, poderá ligá-lo a um computador. O público geral foi muito cético no início. Quem quer ligar seu cérebro a computadores? Bem, imagine poder enviar um e-mail com um pensamento.
(Laughter)
(Risos)
Imagine being able to take a picture with your eyes, OK?
Imagine poder tirar uma foto com seus olhos.
(Laughter)
(Risos)
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.
Imagine nunca mais esquecer nada, porque qualquer coisa que você queira lembrar será armazenada permanentemente em um disco rígido, capaz de ser recuperada à vontade.
(Laughter)
(Risos)
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."
A linha entre o que é louco ou visionário nunca foi muito clara, mas os sistemas eram seguros. Quando a FDA decidiu liberar os sistemas de laser, em 2043, a demanda comercial explodiu. As pessoas escreviam em seus e-mails: "Desculpe pelos erros. Enviado do meu cérebro". (Risos)
(Laughter)
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.
Muitos sistemas comerciais apareceram oferecendo o melhor da tecnologia de interface neural. Havia 100 eletrodos. Mil eletrodos. Banda larga por apenas U$ 99,99 por mês.
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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.
Logo, todo mundo tinha. E essa foi a chave. Porque, nos anos 2050, se você fosse neurocientista, qualquer pessoa poderia estar de passagem e entrar em seu laboratório e realizar alguma tarefa emocional ou comportamento social, ou raciocínio abstrato, coisas impossíveis de estudar em ratos. E seria possível gravar a atividade dos neurônios da pessoa usando as interfaces que ela já possuía. Seria possível também perguntar o que a pessoa estava sentindo. Esta ligação entre psicologia e neurociência, que não seria possível com animais, de repente estava lá.
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.
Talvez o exemplo clássico tenha sido a descoberta das bases neurais do insight. Aquele momento em que tudo faz sentido. E isso foi descoberto por dois cientistas em 2055, Barry e Late. Eles observaram, no córtex pré-frontal dorsal do cérebro de alguém tentando entender algo, como as diferentes populações de neurônios se reorganizavam. Veja a atividade neural em laranja. Finalmente, a atividade se ilumina, levando a um feedback positivo. Ali. É o processo de compreensão.
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.
Finalmente, fomos capazes de chegar ao que nos faz humanos. E isso realmente abriu o caminho para grandes descobertas da medicina. Porque, a partir de 2060, com a capacidade de gravar a atividade neural nos cérebros de pacientes com diferentes doenças neurológicas, em vez de definir as doenças com base em seus sintomas, como era no começo do século, começamos a defini-las com base na patologia observada no nível neural. Por exemplo, no caso do TDAH, descobrimos que existiam dezenas de diferentes doenças que eram chamadas de TDAH no começo do século e não tinham nada a ver uma com a outra, a não ser sintomas semelhantes. E precisavam ser tratadas de maneiras diferentes. Era quase inacreditável que, no início do século, tratávamos todas essas doenças diferentes com a mesma droga, como se estivéssemos, basicamente, dando anfetamina às pessoas. O mesmo acontecia com a esquizofrenia e a depressão. Então, em vez de prescrever medicamentos aleatoriamente, como fazíamos, aprendemos a prever quais drogas seriam mais eficazes em cada paciente. Isso levou a uma enorme melhoria nos resultados.
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.
Agora, quero trazer vocês de volta para o ano de 2017. Um pouco do que falei pode soar satírico ou muito artificial. Em partes, é. Não posso realmente prever o futuro. Realmente não sei se faremos milhares de perfurações microscópicas nas nossas cabeças em 30 anos. O que posso dizer é que não iremos progredir na compreensão do cérebro ou das doenças humanas até descobrirmos como chegar à atividade elétrica dos neurônios em humanos saudáveis. Quase ninguém está tentando descobrir como fazer isso atualmente. Esse é o futuro da neurociência. Acho que é hora dos neurocientistas abandonarem o cérebro do rato e dedicarem o pensamento e o investimento para entender o cérebro e as doenças dos humanos.
Thank you.
Obrigado.
(Applause)
(Aplausos)