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.
Vreau să vă spun ceva despre neuroștiințe. Sunt fizician de profesie. Acum aproximativ trei ani am renunțat la fizică pentru a înțelege cum funcționează creierul. Și uitați ce am aflat. Mulți oameni lucrează pe tematici legate de depresie. Și asta e foarte bine, depresia este ceva ce vrem cu toții să înțelegem.
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."
Uitați cum se face: luați un borcan și apoi umpleți-l până la jumătate cu apă. Apoi luați un șoricel și aruncați șoricelul în borcan, da? Șoricelul va înota pentru puțină vreme și, la un moment dat, acesta obosește și decide să se oprească din înot. Și când se oprește din înotat, aia se numește depresie. OK? Am studiat fizica teoretică, deci sunt obișnuit să le prezint oamenilor modele matematice sofisticate pentru a descrie cu precizie fenomenele fizice, iar când am văzut că acesta este modelul pentru depresie, m-am gândit în sinea mea: „Doamne, mai avem multă treabă de făcut.”
(Laughter)
(Râsete)
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?
Dar asta e o problemă generală în neuroștiințe. Să luăm ca exemplu emoția. Mulți oameni vor să înțeleagă emoția. Nu putem studia emoțiile la șoareci sau la maimuțe deoarece nu-i poți întreba cum se simt sau prin ce stări trec. În schimb, oamenii care vor să înțeleagă emoția, de obicei studiază ceea ce numim comportamentul motivat, sau pe înțelesul tuturor: „ce face șoricelul când vrea cașcavalul”. OK, aș putea continua până la nesfârșit. Ideea este că INS cheltuie în jur de 5.5 miliarde dolari pe an în domeniul neuroștiinței. Și aproape că încă nu avem rezultate semnificative sau îmbunătățiri la pacienții cu boli cerebrale în ultimii 40 de ani. Cred că această problemă se datorează faptului că șoarecii ar putea fi un model potrivit pentru cancer sau diabet, însă creierul șoarecilor nu e îndeajuns de sofisticat încât să reproducă psihologia umană sau bolile cerebrale umane. OK?
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?
Dacă modelul cu șoarecii este unul greșit, de ce-l mai folosim? Treaba se reduce, efectiv, la două chestii: creierul e format din neuroni care sunt acele celule mici care trimit semnale electrice unul altuia. Dacă vreți să știți cum funcționează creierul, trebuie să știți cum să măsurați activitatea electrică a acestor neuroni. Pentru asta, trebuie să vă apropiați foarte tare de neuroni cu un dispozitiv de înregistrare electrică sau microscop. Și chestia asta o puteți face la șoareci sau la maimuțe, deoarece puteți să băgați chestii în creierul lor, dar din anumite motive nu putem face asta și la oameni. În schimb, noi am inventat toate aceste aparate. Cel mai popular este probabil acesta, RMN-ul funcțional, sau RMNf, care vă permite să faceți acele fotografii drăguțe, vă arată ce parte a creierului se activează când sunteți implicat în diverse activități. Dar acesta este un aparat. Cu asta nu măsurați, efectiv, activitatea neuronală, ci veți măsura, efectiv, chestii precum circulația sangvină în creier. Unde este mai mult sânge. Acolo unde este și mai mult oxigen, dar ați prins ideea, OK?
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.
Celălalt lucru pe care-l putem face, electro-encefalografia, putem să vă punem acești electrozi pe cap, OK? Și, astfel, măsurăm undele cerebrale. Efectiv, măsurăm activitatea electrică. Însă nu măsurăm activitatea neuronilor. Măsurăm curentul electric care se revarsă înainte și înapoi în creier. Ideea este că toate aceste tehnologii de care dispunem măsoară lucrurile care nu ne interesează. Deoarece în majoritatea bolilor, ce trebuie să înțelegem... la boli precum Parkinson, să luăm exemplul clasic, La Parkinson, există un anumit tip de neuron, adânc în creier care este responsabil pentru boală, iar aceste tehnologii nu au, efectiv, rezoluția de care avem nevoie să ajungem la el. Deci tot la studiul animalelor am rămas. Nu toată lumea vrea să studieze depresia prin a arunca șoricei în borcane, nu-i așa? Asta din cauza faptului că nu este posibil să analizăm activitatea neuronilor la oameni sănătoși.
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.
Uitați ce vreau să fac. Vreau să vă transport în viitor. Să aruncăm o privire la un mod care cred că ar putea fi posibil. Vă spun dinainte că deocamdată nu dispun de toate detaliile. Deci, acum, doar vă furnizez un fel de schiță. Dar urmează să pășim în anul 2100. Cum va arăta anul 2100? Pentru început, climatul va fi un pic mai cald decât suntem obișnuiți.
(Laughter)
(Râsete)
And that robotic vacuum cleaner that you know and love went through a few generations, and the improvements were not always so good.
Iar aspiratoarele robot pe care le cunoașteți deja și le iubiți, trecute prin multe generații cu îmbunătățiri aduse, nu vor fi chiar atât de bune.
(Laughter)
(Râsete)
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.
Nu a fost întotdeauna mai bine. În anul 2100, majoritatea lucrurilor vor fi surprinzător de identice. Doar percepția asupra creierului va fi total diferită. De exemplu, în anul 2100, vom înțelege cauzele bolii Alzheimer. Asta pentru a putea oferi terapii genetice specifice sau medicamente pentru a stopa procesul degenerativ încă înainte de a debuta. Cum vom face asta? Sunt, esențialmente, trei pași. Primul pas va fi că ne vom da seama de noi metode pentru a obține conexiuni electrice care trec prin craniu pentru a putea măsura activitatea electrică a neuronilor. În plus, va fi și ușor, și chiar lipsit de riscuri. Ceva cu care toți vor fi de acord, cum ar fi efectuarea unui piercing. Deoarece dacă ne întoarcem în 2017, singura modalitate cunoscută de a penetra prin craniu, era de a face acele găuri de mărimea unor monede. Nu ați mai permite nimănui să vă facă asta.
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?
Deci, în anii 2020, oamenii vor începe să experimenteze, în loc să foreze acele găuri mari, vor face niște găuri microscopice, mai mici decât grosimea unui fir de păr. Ideea e că ceea ce contează este diagnosticul, au fost multe cazuri în diagnosticarea bolilor cerebrale când am fi vrut să ne putem uita la activitatea neuronală de sub craniu și să putem fora acele găuri microscopice, asta ar fi fost mult mai ușor pentru pacient. În final, ar fi ca și cum ai primi o împușcătură. Doar intri în cabinet și te așezi și o chestie îți e pusă pe cap, doar o înțepătură de moment și ai terminat, poți să mergi acasă să-ți vezi de treaba ta. Vom putea face asta folosind lasere pentru a fora acele găuri. Și cu laserele e extrem de rapid și de sigur, nici nu ai putea spune că găurile sunt acolo, nici măcar faptul că îți lipsește un fir de păr. Știu că sună aiurea folosirea laserelor pentru a fora găuri în craniu, dar în 2017, oamenii erau de acord când chirurgii foloseau laserul în ochi pentru operații corective. Când faci deja asta, nu mai e cale lungă. OK?
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 --
Următorul pas, în 2030, va fi că nu doar vom putea penetra craniul. Pentru a măsura activitatea neuronală, trebuie, efectiv, să treci chiar prin țesutul cerebral. Riscul care apare de fiecare dată când atingi țesutul cerebral este acela de atac cerebral. Poți să lovești un vas de sânge și să-l spargi, iar asta duce imediat la atac cerebral. Până pe la mijlocul lui 2030, se vor inventa sondele flexibile care se vor putea învârti în jurul vaselor sangvine, și nu direct prin acestea. Astfel, vom putea pune bateriile uriașe ale acestor sonde în creierul pacienților și să documentăm sute de neuroni fără niciun risc. Și ceea ce am descoperit, spre surpriza noastră, este că neuronii pe care i-am identificat nu răspund la lucruri precum idei sau emoții, așa cum ne așteptam. Acestea răspund, în mare parte, la chestii precum Jennifer Aniston sau Halle Berry sau Justin Trudeau. Adică...
(Laughter)
(Râsete)
In hindsight, we shouldn't have been that surprised. I mean, what do your neurons spend most of their time thinking about?
În retrospectivă, nu ar trebui să fim așa surprinși. La ce se gândesc majoritatea timpului neuronii noștri?
(Laughter)
(Râsete)
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.
Ideea este că această tehnologie ne permite să studiem neuroștiințele la nivel individual. Precum tranziția la genetică, la nivel unicelular, am început să studiem neuroștiințele la nivel uman unic.
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.
Dar nu am ajuns încă la final. Pentru că aceste tehnologii erau încă limitate la aplicații medicale, adică noi studiam creierele bolnave în loc de cele sănătoase. Pentru că nu contează cât de sigură este o tehnologie, nu poți, efectiv, să introduci ceva în creierul cuiva doar în scopuri de cercetare. Trebuie să vrea și ei asta. Și de ce și-ar dori asta? De îndată ce ai o conexiune electrică la creier, poți s-o folosești să o atașezi la un calculator. O, da, știu... publicul este foarte sceptic la început. Adică, cine ar vrea să-și atașeze creierul la un computer? Imaginați-vă doar, cum ar fi să putem trimite un e-mail cu gândul doar.
(Laughter)
(Râsete)
Imagine being able to take a picture with your eyes, OK?
Imaginați-vă că faceți o poză cu ochii, OK?
(Laughter)
(Râsete)
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.
Imaginați-vă că nu veți mai uita niciodată nimic, pentru că orice doriți să vă amintiți va fi stocat undeva pe un drive și va putea fi accesat la nevoie.
(Laughter)
(Râsete)
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."
Linia dintre nebunesc și vizionar nu a fost niciodată destul de clară. Dar sistemele erau sigure. Când ADF a decis să dereglementeze aceste sisteme de forare cu laser, în 2043 cererile comerciale au explodat. Oamenii au început să semneze mesajele cu: „Scuzați greșelile de ortografie. E-mail trimis din creier.”
(Laughter)
(Râsete)
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.
Sistemele comerciale au apărut peste tot, cu cele mai noi și bune oferte în interfața creier-calculator. Au fost 100 de electrozi. 1000 de electrozi. Lățime mare de bandă pentru doar 99,99$ pe lună.
(Laughter)
(Râsete)
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.
În curând, cu toții le aveau. Și asta a fost cheia. Deoarece în 2050, dacă ești cercetător în neuroștiințe, s-ar putea ca cineva să intre, din stradă, în laboratorul tău. Și l-ai putea implica într-o sarcină emoțională sau comportament social sau raționament abstract, chestii pe care niciodată nu le poți studia la șoareci. Și ai putea să înregistrezi activitatea neuronilor folosindu-te de interfețele pe care acesta deja le are. Și l-ai întreba, după aceea, ce anume a simțit. Deci... această legătură dintre psihologie și neuroștiințe, pe care nu o poți experimenta la animale, e dintr-o dată aici.
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.
Deci, poate că exemplul clasic a fost descoperirea bazei neuronale. Acel moment „Aha!”, momentul în care toate se îmbină, revelația. A fost descoperit de doi oameni de știință, în 2055, Barry și Late, care au observat, în cortexul prefrontal dorsolateral, cum în creierul cuiva care încearcă să înțeleagă o idee, diferite populații de neuroni se reorganizează: acum vedeți activitatea neuronală marcată cu portocaliu, iar în final, activitatea lor se aliniază într-un mod ce duce la un feedback pozitiv Chiar acolo. Aceea e înțelegerea.
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.
În final, putem ajunge la lucrurile care ne fac umani. Și asta a deschis calea spre informațiile importante din medicină. Deoarece, începând cu anul 2060, cu abilitatea de a înregistra activitatea neuronală în creierele pacienților cu aceste boli mintale diferite, decât să diagnosticăm aceste boli pe baza simptomelor lor, cum se întâmpla la începutul secolului, începem să le definim pe baza patologiei actuale pe care le observăm la nivel neuronal. Deci, ca exemplu, în cazul ADHD, am descoperit că există o mulțime de boli diferite, care, toate, au fost numite ADHD la începutul secolului, care nu aveau nimic de-a face una cu cealaltă. doar că prezentau simptome similare. Și era nevoie să fie tratate în mod diferit. Era destul de incredibil, privind retrospectiv, faptul că la începutul secolului, noi am tratat toate acele boli diferite cu același medicament, dându-le oamenilor amfetamină, asta am făcut, efectiv... La fel se întâmplă și cu schizofrenia și depresia. Decât să prescriem medicamentele oamenilor, la întâmplare, cum am făcut până atunci am învățat care medicamente sunt mai eficiente la care tip de pacient, și asta a dus la o îmbunătățire uriașă.
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.
OK, vreau să vă readuc în 2017. Unele ar putea suna satiric sau exagerat. Și unele chiar așa sunt. Adică, nu pot vedea, efectiv, în viitor. Nu știu dacă vom fora sute de găuri microscopice în craniile noastre în următorii 30 de ani. Dar ceea ce pot să vă spun este că nu vom înregistra niciun progres în a înțelege creierul sau bolile umane până nu ne vom da seama cum să urmărim activitatea electrică neuronală la oamenii sănătoși. Și aproape nimeni nu încearcă să facă asta în zilele noastre. Acesta este viitorul neuroștiinței. Cred că a sosit timpul ca neurologii să renunțe la creierul șoarecelui și să-și dedice gândirea și investițiile necesare pentru a înțelege creierul și bolile umane.
Thank you.
Mulțumesc!
(Applause)
(Aplauze)