How We're Reverse Engineering the Human Brain in the Lab | Sergiu P. Pasca | TED

المترجم: Alghazali Wadelkebeida المدقّق: Shimaa Nabil

How does the human brain build itself?

كيف يبني الدماغ البشري نفسه؟

How do circuits in the human brain

كيف تقوم الدوائر الكهربائية داخل الدماغ البشري

wire together?

بالترابط مع ببعضها؟

For instance, how does one tiny neuron in the outer layer of the brain

مثلا، كيف يستطيع عصبون واحد في الطبقة الخارجية للدماغ

send a thin axon all the way to the spinal cord,

أن يمد محوراً عصبياً رفيعاً حتى يصل إلى الحبل الشوكي

find the right neuron

ويجد العصبون الصحيح

and then control muscle contraction

الذي يتحكم في انقباض العضلات

as we extend a hand and grasp a glass of water?

عندما نمد يدنا ونمسك بكوب من الماء؟

I'm here to tell you

أنا هنا لأخبركم

that we can finally grow parts of the human brain

بأننا أخيراً يمكننا زراعة أجزاء من الدماغ البشري

from any individual

من أي شخص،

and then build functioning human circuits

وصناعة دوائر كهربائية فعالة

in a laboratory cell culture dish.

في طبق خاص بزراعة الخلايا بالمختبر.

These clumps of neural tissue are known as brain organoids.

تُعرف كتل الأنسجة العصبية هذه باسم عُضَيَّات الدماغ.

And when we put them together to form circuits, they become “assembloids.”

وعندما نجمعها معاً لتشكيل دوائر كهربائية، فإنها تصبح “مُتَجَمِّعَات“.

Assembloids could be key to understanding how the human brain is built.

يمكن أن تكون المُتَجَمِّعَات مفتاحاً لفهم كيفية بناء الدماغ البشري.

Today, most of what we know about the human brain

اليوم، معظم ما نعرفه عن الدماغ البشري

comes from studies in animals, typically mice.

يأتي من دراسات على الحيوانات، عادة الفئران.

And while we've learned a lot from these animal brains,

وبينما تعلمنا الكثير من أدمغة هذه الحيوانات،

the characteristics that make the human brain unique,

فإن الخصائص التي تجعل الدماغ البشري فريداً،

and uniquely susceptible to disease,

وقابلاً للإصابة بالأمراض بصورة فريدة،

remain mysterious.

ما زالت غامضة.

I’m a physician by training and a professor at Stanford,

أنا طبيب بالتدريب وأستاذ بجامعة ستانفورد،

where my laboratory has been taking unconventional approaches

حيث يتبنى مختبري أساليب غير تقليدية

to study how the human brain develops,

لدراسة كيفية نمو الدماغ البشري،

how disorders in the human brain arise

وكيفية نشأة الاضطرابات في الدماغ البشري،

and find new ways of treatment.

وإيجاد طرق جديدة للعلاج.

I think the best way to explain, though, how we do this

أعتقد أن أفضل طريقة لشرح كيفية قيامنا بذلك

is through the eyes of one of my patients.

من خلال منظور أحد مرضاي.

When I opened my lab at Stanford,

عندما فتحت مختبري في ستانفورد،

Eduard, who's on the autism spectrum,

إدوارد -الذي يعاني من التوحد-

sent me this drawing

أرسل لي هذه الرسمة،

depicting how he thought we were studying brain disorders.

مصوراً فيها اعتقاده عن كيفية دراستنا لاضطرابات المخ.

Now to paraphrase him, he said,

وكما قال لي:

"What I think you're doing is you're climbing up a ladder,

“أعتقد أنكم تتسلقون سلماً،

poking holes in people's brains

وتثقبون أدمغة الناس،

and then use tiny telescopes to watch neural cells."

ثم تستخدمون مناظير صغيرة لمشاهدة الخلايا العصبية“.

Of course, that's not what we do.

وبالطبع ليس هذا ما نفعله.

So I called him up, explained the process,

لذلك اتصلت به، وشرحت له كيفية عملنا،

and then the next morning he sent me another drawing,

وفي اليوم التالي أرسل لي لي هذه الرسمة،

which I think ended up being a quite accurate representation

والتي أعتقد أنها أدق تمثيل

of the work that we and many others now are doing.

لما نفعله نحن وكثيرون غيرنا الآن.

Again, to paraphrase him, he said,

وأيضا كما قال لي:

"You're taking skin cells

“أنتم تأخذون خلايا جلد

from patients that have specific brain disorders,

من مرضى مصابين باضطرابات مخ معينة،

then doing some mumbo jumbo to the cells

ثم تفعلون ما تفعلون بهذه الخلايا

to push them back in time

لدفعها بالعودة للزمن،

and turn them into stem cells."

ثم تعود لتصير خلايا جذعية“.

And then he knew that stem cells can be coaxed to become any cell type.

ثم عرف أنه يمكن دفع الخلايا الجذعية لتصبح أي نوع من الخلايا.

“So then you’re taking them and turning them into brain cells

“ثم تأخذونها وتحولوها إلى خلايا دماغ

that form brain circuits.”

لتشكل دوائر الدماغ الكهربائية“.

That's right. We can build human brain circuits in a dish.

هذا صحيح. لقد قمنا بصنع دوائر دماغ كهربائية في طبق.

How is that possible?

كيف يمكن ذلك؟

Building on the hard work of biologists over the past 15 years or so,

بناءً على العمل الشاق لعلماء الأحياء طوال الخمسة عشر عاما الماضية ونحوها،

we can today take any cell type from any individual

يمكننا اليوم أخذ أي نوع من الخلايا من أي فرد

and then push it back in time to turn them into stem cells

ودفعها بالعودة للزمن لتصير خلايا جذعية،

and then guide those stem cells to become any other cell type.

ثم توجيه هذه الخلايا الجذعية لتصبح أي نوع آخر من الخلايا.

We start by asking a patient to provide a small skin sample.

نبدأ بطلب أخذ عينة صغيرة من جلد المريض.

We then take those skin cells,

ثم نأخذ خلايا الجلد هذه،

reprogram them by putting a series of genetic factors

ونعيد برمجتها عن طريق إضافة مجموعة من العوامل الوراثية

and push them back in time

التي تدفعها بالعودة بالزمن

so that those skin cells become stem cells.

فتتحول خلايا الجلد هذه لخلايا جذعية.

It's like cellular alchemy.

إنها مثل الخيمياء الخلوية.

These stem cells have almost magical abilities

لدى هذه الخلايا الجذعية مقدرات ساحرة

to turn into any other cell type.

بالتحول إلى أي نوع آخر من الخلايا.

So what do we do?

ثم ماذا نفعل؟

We take the stem cells, we dissociate them,

نأخذه هذه الخلايا الجذعية ونفصلها،

we then aggregate them

ثم نجمعها

so that they form spheres or tiny balls of cells.

بحيث تشكل كرات صغيرة من الخلايا.

We then take those, move them into a special plate

ثم نأخذها وننقلها لطبق خاص

where there is a kind of chemical soup.

به خليط كيميائي كالحساء.

And that chemical soup will allow them to grow

وهذا الخليط سيغذيها ويجعلها تنمو

and transform and turn into a brain organoid.

وتتحول إلى عُضَيَّات دماغية.

By providing different cues, we can turn this brain organoid

وبإضافة إشارات مختلفة، يمكننا تحويل هذه العُضَيَّات

to resemble specific regions of the central nervous system.

لتشبه مواضع معينة في الدماغ.

For instance, we have a recipe

فمثلا، لدينا طريقة

that allows them to become a cerebral cortex,

تجعلها تصير قشرة دماغية،

the outer layer of the brain.

أي الطبقة الخارجية للدماغ.

By using a slightly different combination of factors,

باستخدام مجموعة مختلفة قليلاً من العوامل،

we can turn them into a spinal cord.

يمكننا جعلها نخاعاً شوكياً.

The secret to this process is careful guidance.

وسر هذه العملية هو التوجيه الدقيق.

In the end, they look like this.

وفي النهاية، تبدو هكذا.

Tiny clusters of brain cells at the bottom of a dish.

مجموعات صغيرة من خلايا الدماغ في قعر الطبق.

And let me be clear.

ولأكون واضحا معكم،

This are not brains in a jar.

هذه ليست دماغا في جرة.

(Laughter)

(ضحك)

These are parts of the nervous system in a laboratory dish.

هذه أجزاء من الجهاز العصبي في طبق مختبر.

Each of them contains millions of cells,

وكل واحدة منها بها ملايين الخلايا،

and we can even listen as they fire electrical signals.

ويمكننا حتى سماعها تطلق إشارات كهربائية.

(Electrical signals firing)

(إطلاق إشارات كهربائية)

Or we can watch them

أو رؤيتها

as they sparkle with electrical activity.

بينما تتطلق شرراً كهربائياً.

Or we can image inside and watch the cells as they communicate with each other.

أو حتى تصوير الخلايا وهي تتواصل مع بعضها.

Isn't it remarkable to think that just a few months ago

أليس من الرائع أنها قبل عدة أشهر

these cells were skin cells in a patient,

كانت خلايا جلد في جسد مريض ما،

and now they are neural cells at the bottom of a dish

والآن صارت خلايا عصبية في قعر إناء

that we can study at ease.

يمكننا دراستها بسهولة.

(Applause)

(تصفيق)

Thank you.

شكرا لكم.

So with these models of brain growth,

ومع هذه النماذج لنمو الدماغ،

we started wondering: Could we use them to start to understand disease?

بدأنا نتساءل. هل يمكننا استخدامها لنبدأ بفهم الأمراض؟

So for instance, we wanted to know,

فمثلا، أردنا أن نعرف

could we understand how low oxygen impacts the brains of premature babies?

أيمكننا فهم كيفية تأثير نقص الأكسجين على أدمغة الأطفال الخدج؟

So to do this, we took brain organoids and put them in a special incubator.

وللقيام بذلك، أخذنا عُضَيَّات الدماغ ووضعناها في حاضنة خاصة.

We then lowered the concentration of oxygen and watched them.

ثم قللنا تركيز الأكسجين وراقبناها.

We discovered something quite interesting.

فاكتشفنا شيئاً مثيراً للاهتمام.

Only one specific cell type was affected by the low oxygen.

هو أن نوعاً واحداً معيناً فقط من الخلايا تأثر بقلة الأكسجين.

That cell type is responsible for the expansion of the human cortex.

هذا النوع هو المسؤول عن تمدد قشرة الدماغ.

We found exactly how that happens

واكتشفنا كيف يحدث هذا بالضبط،

and even found the drug that could prevent that process.

بل ووجدنا العقار الذي يمكن أن يمنع هذه العملية.

These clumps of three-dimensional tissue

هذه الكتل من الأنسجة ثلاثية الأبعاد

can be grown in a dish for years.

يمكن زراعتها في طبق لسنوات.

In fact, we've maintained the longest cultures

في الواقع، لقد حافظنا على أطول مزرعة خلايا

that have been reported to date, going beyond 800 days.

تم تسجيلها حتى الآن، بما يزيد عن 800 يوم.

At nine to 10 months, which is the equivalent of birth,

وخلال 9-10 أشهر -وهو ما يعادل زمن الولادة-

they slowly transitioned, and they started to resemble the postnatal brain.

انتقلت هذه العضيات ببطء، وبدأت تشبه دماغ حديثي الولادة.

We have discovered a brain clock

لقد اكتشفنا ساعة دماغية

which keeps track of time in a dish and outside of the uterus.

تقوم بتتبع الوقت في طبق وفي خارج الرحم.

Understanding the molecular mechanisms that underlie this brain clock

وفهم الآليات الجزيئية التي تكمن وراء هذه الساعة الدماغية

could be key to finding new strategies

قد يكون مفتاحا لإيجاد طرق جديدة

to either accelerate or decelerate or rejuvenate human brain cells.

إما لتسريع أو إبطاء أو تجديد خلايا الدماغ البشري.

The work that I've shown you so far

العمل الذي أريتكم إياه حتى الآن

is pioneering not just because of what it teaches us

هو رائد، ليس بسبب ما سنتعلمه فحسب

about the human brain,

عن الدماغ البشري،

but also because of the frontiers of ethics.

بل أيضا بسبب حدود الأخلاقيات.

Organoids and assembloids are not full replicas of the human brain.

العضيات والمتجمعات ليست نسخاً كاملة للدماغ البشري.

They're not brains in a jar. They're not minibrain.

وليست دماغاً في جرة أو دماغاً صغيراً.

They're not some stepping stone to a Frankenstein monster.

وليست نقطة انطلاق لصنع وحش فرانكشتاين.

They have no blood flow,

ليس بها دم يجري

they receive no meaningful inputs and outputs.

ولا تستقبل أي مدخلات أو مخرجات ذات مغزى.

But at one point, they may become more complex.

لكن في مرحلة ما، قد تصير أكثر تعقيداً.

At one point, they may receive sensory input.

وفي مرحلة ما، قد تستقبل مدخلات حسية.

So as the science advances,

وبتقدم العلم،

we in the scientific community have been very careful

نحن في المجتمع العلمي صرنا أكثر حرصاً

about discussing what are some of the ethical questions,

على منقاشة ما الأسئلة الأخلاقية

the societal implications and potential regulations.

والآثار المجتمعية واللوائح المحتملة.

Most of the work that I’ve shown you so far

معظم العمل الذي أريتكم إياه حتى الآن

has been in one specific brain region.

كان لمنطقة واحدة محددة في الدماغ.

But to really understand circuits,

لكن لفهم الدوائر الكهربائية حقا،

we actually need to build more complicated brain circuits.

نحتاج لبناء دوائر كهربائية دماغية أكثر تعقيدا.

And so to do this, six years ago,

ولفعل ذلك، قبل 6 سنوات

we came up with a new approach to build human circuits

ابتكرنا طريقة جديدة لبناء الدوائر الكهربائية

called an assembloid.

سميناها المتجمعة.

Assembloids are essentially blocks of tissue

والمتجمعات هي كتل من الأنسجة

that we build in a dish from multiple organoids put together.

التي نبنيها في طبق من عدة عضيات متجمعة معاً.

When we put two brain organoids together,

وعندما وضعنا اثنين من عضيات الدماغ معاً،

we discovered something really fascinating.

اكتشفنا شيئا مذهلاً.

First, they fused to each other.

أولاً، أنهما التحما مع بعضهما.

But then they started to communicate,

وبعد ذلك شرعا في التواصل،

and brain cells from one side

وخلايا دماغ من جهة

started to slowly migrate onto the other side

بدأت تتحرك ببطء نحو الجهة الأخرى

and form circuits,

لتشكل دائرات كهربائية،

much like they would in the actual brain.

مثلما تفعل في الدماغ الحقيقي.

In fact, we can even watch them live as they move from one side to the other.

وحقيقةً، يمكننا حتى مشاهدتهما مباشرة وهي تقفز منتقلة من جانب لآخر.

I still remember how we were in the lab in absolute awe

ما زلت أذكر كيف كنا في المختبر في حالة من الدهشة الشديدة

when we saw for the first time

عندما رأينا لأول مرة

how human cells undergo this peculiar jumping behavior.

كيف تسلك الخلايا البشرية سلوك القفز الغريب هذا.

This is all fascinating, but what is it actually good for?

كل هذا رائع، ولكن ما فائدته؟

Dysfunction in the human brain causes brain disorders,

يؤدي الخلل الوظيفي في الدماغ البشري إلى اضطرابات الدماغ،

such as autism and schizophrenia and Alzheimer's disease,

مثل مرض التوحد وانفصام الشخصية ومرض الزهايمر،

devastating conditions that are poorly understood.

وكلها حالات مدمرة لم يتم فهمها بشكل جيد.

Nearly one in five individuals suffers from a psychiatric disease.

تقريبا، يعاني واحد من كل خمسة أفراد من مرض نفسي.

What is even more striking

والأكثر لفتا للنظر

is that the lowest success rate for finding new drugs

هو أن أقل معدل نجاح لإيجاد أدوية جديدة

is in psychiatry, out of all the branches of medicine,

هو في الطب النفسي، من بين جميع فروع الطب.

likely because until now we couldn't really access the human brain.

والراجح لأنه حتى الآن، لم نتمكن من سبر أغوار الدماغ البشري.

Using brain organoids and assembloids,

وباستخدام عضيات ومتجمعات الدماغ،

we can create avatars for a patient's brain development

يمكننا صنع نماذج لتطور دماغ المريض

and then use those to dissect the molecular mechanism of disease.

ومن ثم استخدامها لنحلل الآلية الجزيئية للمرض.

Let me give you one example.

دعوني أعطيكم مثالا.

As you have seen,

كما شاهدتم،

assembloids can be used

المتجمعات يمكن استخدامها

to model this healthy jumping behavior of neurons.

لنمذجة سلوك القفز الطبيعي للخلايا العصبية.

So what we did is we created assembloids from patients with Timothy syndrome,

وما فعلناه هو أننا صنعنا متجمعات من مرضى متلازمة تيموثي،

which is a rare genetic disease associated with autism and epilepsy.

وهي مرض وراثي نادر مرتبط بالتوحد والصرع.

When we looked inside the assembloids, we noticed something remarkable.

عندما نظرنا داخل المتجمعات، لاحظنا شيئاً واضحاً.

The cells were moving much faster,

هو أن الخلايا تتحرك بشكل أسرع،

but every time they would jump, they would jump a shorter distance.

لكن في كل مرة تقفز فيها، فإنها تقفز مسافة أقصر.

So in the end, they would be left behind.

وفي النهاية، ستكون متأخرة في الخلف.

Over the past six years in extensive studies,

خلال 6 سنوات مضت وفي دراسات مكثفة،

we've actually dissected the molecular mechanism of this defect

قمنا بتحليل الآلية الجزيئية لهذه المشكلة،

and even found ways of restoring it.

ووجدنا طرق لعلاجها.

And we're excited to be moving towards a potential therapeutic avenue

ونحن متحمسون للمضي في طريق علاجي محتمل

in the next year or so.

في العام المقبل ونحوه.

(Applause)

(تصفيق)

The premise of organoids and assembloids

ما توعدنا به العضيات والمتجمعات

is that they will slowly allow us to gain new insights

هو أنها ستتيح لنا بكل روية أن نكتسب رؤى جديدة

into the hidden biology of the human brain.

في علم الأحياء المخفي للدماغ البشري.

And by doing so,

ومن خلال القيام بذلك,

they could revolutionize the way we think about human brain development, evolution,

يمكنها إحداث ثورة في طريقة تفكيرنا في نمو الدماغ البشري وتطوره

function and disease.

ووظائفه وأمراضه.

So what's next?

إذا ما التالي؟

Well, to really be able to gain insight into more complex brain disorders,

لكي تكون قادراً على اكتساب نظرة ثاقبة حول اضطرابات الدماغ الأكثر تعقيداً،

we need to build more complex circuits.

نحتاج لبناء دوائر كهربائية أكثر تعقيداً.

So in the last minute, let me show you

لذا دعوني أريكم في الختام

the most complicated circuit we have built to date.

إنشاءنا للدائرة الأكثر تعقيداً حتى الآن.

The circuit that controls voluntary movement.

الدائرة التي تتحكم في الحركة الإرادية.

To do this, we've created three organoids.

للقيام بذلك، أنشأنا ثلاثة عضيات.

One, shown here in purple, that resembles the cortex.

واحد باللون الأرجواني وهذا يمثل قشرة الدماغ،

One, in yellow, that resembles the spinal cord,

وواحد باللون الأصفر وهذا يمثل النخاع الشوكي،

and one, in red, that resembles human muscle.

وواحد باللون الأحمر وهذا يمثل عضلة جسدية.

We then put them together and watched them fuse

ثم قمنا بتجميعهم وشاهدناهم يلتحمون

and noticed something really spectacular.

ولاحظنا شيئاً مذهلاً حقاً.

Neurons on the cortical side started extending axons,

بدأت عصبونات الجانب القشري بتمديد محاورها

find spinal motor neurons in the spinal side,

كي تجد عصبونات شوكية حركية في الجانب الشوكي

connect with them,

وترتبط بها،

and then those farther project and connect to muscle.

ومن ثم تمتد هذه أبعد لترتبط بالعضلة.

When we put a light stimulus on the cortical site,

وعندما سلطنا منبهاً ضوئياً على الجانب القشري،

we noticed the muscle on the opposite side contract.

لاحظنا انقباض العضلة في الجانب العضلي.

We have modeled for the first time a human cortical motor pathway.

لقد صممنا لأول مرة مساراً حركياً قشرياً بشرياً.

(Applause)

(تصفيق)

And let me be clear.

ولأكون واضحا معكم،

These cells find each other.

هذه الخلايا تجد نفسها لوحدها.

Unlike in engineering, we don't have a master plan,

على عكس الهندسة، ليس لدينا خطة رئيسية،

we don't provide a plan because the human brain builds itself.

نحن لا نقدم لها خطة، لأن الدماغ البشري يبني نفسه.

And then in itself, it's a remarkable opportunity

وفي حد ذاته، إنها فرصة رائعة

to try to reverse engineer

لمحاولة عكس هندسة

what are some of the steps that underlie human brain development?

بعض الخطوات التي تكمن وراء نمو الدماغ البشري.

I know that this all sounds science fiction,

أعلم أن كل هذا يبدو خيالاً علمياً،

but we now do this routinely in the lab.

لكننا نقوم به الآن بشكل روتيني في المختبر.

We have derived thousands and thousands of organoids and assembloids

لقد حضرنا الآلاف من العضيات والمتجمعات

from patients with various neuropsychiatric diseases,

من مرضى حالات نفسية وعصبية مختلفة،

including, for instance,

من ضمن ما حضرنا مثلا،

infecting them with viruses such as polio virus

أصبنا بعضها بفيروسات كفيروس شلل الأطفال،

to understand how diseases arise.

لنفهم كيفية ظهور الأمراض.

The statistician George Box famously said,

قال الإحصائي المشهور جورج بوكس:

"All models are wrong, but some are useful."

“كل النماذج خاطئة، لكن بعضها مفيد“.

(Laughter)

(ضحك)

I do the work that I do

أواصل في عملي

because the promise and hope of brain assembloids and organoids

لأن ما يعدنا به استخدام العضيات والمتجمعات

is that by allowing us to recreate circuits of the human brain,

وبما تتيحه لنا من إعادة إنشاء دوائر الدماغ البشري

we will gain new insights into human biology.

سيمنحنا رؤى جديدة في علم الأحياء البشري.

And this in itself will open a new era in the treatment of brain disorders.

وهذه بحد ذاتها ستفتح حقبة جديدة في علاج اضطرابات الدماغ.

Thank you.

شكرا لكم.

(Applause)

(تصفيق)