A new way to study the brain's invisible secrets | Ed Boyden

Translator: Konstantin Tomanov Reviewer: Darina Stoyanova

Hello, everybody.

Здравейте, всички.

I brought with me today a baby diaper.

Днес съм донесъл бебешка пелена.

You'll see why in a second.

След секунда ще видите защо.

Baby diapers have interesting properties.

Бебешките пелени имат интересни свойства.

They can swell enormously when you add water to them,

Могат да набъбнат невероятно, когато им сложите вода,

an experiment done by millions of kids every day.

експеримент, провеждан от милиони деца всеки ден.

(Laughter)

(Смях)

But the reason why

Но причината за това е,

is that they're designed in a very clever way.

че те са проектирани по много умен начин.

They're made out of a thing called a swellable material.

Направени са от нещо, наречено набъбващ материал.

It's a special kind of material that, when you add water,

Това е специален материал, който, ако му добавите вода,

it will swell up enormously,

ще набъбне невероятно много,

maybe a thousand times in volume.

може би хиляда пъти първоначалния обем.

And this is a very useful, industrial kind of polymer.

И това е много полезен индустриален вид полимер.

But what we're trying to do in my group at MIT

Това, което се опитваме да сторим в групата ми в МИТ,

is to figure out if we can do something similar to the brain.

е да открием дали можем да направим нещо подобно с мозъка.

Can we make it bigger,

Можем ли да го уголемим,

big enough that you can peer inside

така че да погледнем вътре

and see all the tiny building blocks, the biomolecules,

и да видим малките тухлички, биомолекулите,

how they're organized in three dimensions,

как са организирани в три измерения,

the structure, the ground truth structure of the brain, if you will?

каква е структурата, основната истина на мозъка, един вид?

If we could get that,

Ако можехме,

maybe we could have a better understanding of how the brain is organized

бихме имали по-добро разбиране за това как е организиран мозъкът,

to yield thoughts and emotions

за да произведе мисли и емоции

and actions and sensations.

и действия и усещания.

Maybe we could try to pinpoint the exact changes in the brain

Може би бихме могли да се опитаме да посочим точните промени в мозъка,

that result in diseases,

които водят до болести,

diseases like Alzheimer's and epilepsy and Parkinson's,

болести като Алцхаймер и епилепсия и Паркинсон,

for which there are few treatments, much less cures,

за които има много малко терапии, още по-малко лечения,

and for which, very often, we don't know the cause or the origins

и за които, много често, не знаем причината или произхода

and what's really causing them to occur.

и какво наистина ги причинява.

Now, our group at MIT

Групата ни в МИТ

is trying to take a different point of view

се опитва да възприеме различна гледна точка

from the way neuroscience has been done over the last hundred years.

от стандартната неврология от последните сто години.

We're designers. We're inventors.

Ние сме дизайнери. Изобретатели.

We're trying to figure out how to build technologies

Опитваме се да разберем как да създадем технологии,

that let us look at and repair the brain.

които ни позволяват да виждаме и поправяме мозъка.

And the reason is,

И причината е,

the brain is incredibly, incredibly complicated.

че мозъкът е невероятно, невероятно сложен.

So what we've learned over the first century of neuroscience

През първото столетие на неврологията научихме,

is that the brain is a very complicated network,

че мозъкът е много сложна мрежа

made out of very specialized cells called neurons

изградена от специализирани клетки, наречени неврони,

with very complex geometries,

с много комплексна геометрия,

and electrical currents will flow through these complexly shaped neurons.

и че електрически потоци протичат между тези комплексно оформени неврони.

Furthermore, neurons are connected in networks.

Освен това невроните са свързани в мрежи.

They're connected by little junctions called synapses that exchange chemicals

Те са свързани от малки възли, наречени синапси, които обменят химикали

and allow the neurons to talk to each other.

и позволяват на невроните да разговарят.

The density of the brain is incredible.

Плътността на мозъка е невероятна.

In a cubic millimeter of your brain,

В един кубичен милиметър мозък

there are about 100,000 of these neurons

има около 100 000 неврона

and maybe a billion of those connections.

и може би един милиард връзки.

But it's worse.

Но става и по-лошо.

So, if you could zoom in to a neuron,

Ако можехте да се фокусирате върху един неврон,

and, of course, this is just our artist's rendition of it.

и, разбира се, това е интерпретацията на художника ни.

What you would see are thousands and thousands of kinds of biomolecules,

Бихте видели хиляди и хиляди видове биомолекули,

little nanoscale machines organized in complex, 3D patterns,

малки наноскопични машини, подредени в сложни, триизмерни модели,

and together they mediate those electrical pulses,

и заедно те посредничат за електрическите импулси,

those chemical exchanges that allow neurons to work together

за химичните обмени, които позволяват на невроните да работят заедно

to generate things like thoughts and feelings and so forth.

и да създават неща като мисли и чувства и прочие.

Now, we don't know how the neurons in the brain are organized

Не знаем как невроните в мозъка са организирани,

to form networks,

за да се създадат мрежи,

and we don't know how the biomolecules are organized

и не знаем как биомолекулите са организирани

within neurons

в невроните,

to form these complex, organized machines.

за да се създадат тези сложни организирани машини.

If we really want to understand this,

Ако наистина искаме да го разберем,

we're going to need new technologies.

ще ни трябват нови технологии.

But if we could get such maps,

Ако се сдобием с такива карти,

if we could look at the organization of molecules and neurons

ако можем да погледнем организацията на молекулите и невроните

and neurons and networks,

и на невроните и мрежите,

maybe we could really understand how the brain conducts information

може би бихме могли наистина да разберем как мозъка провежда информация

from sensory regions,

от сетивните райони,

mixes it with emotion and feeling,

смесва я с емоции и чувства

and generates our decisions and actions.

и създава решенията и действията ни.

Maybe we could pinpoint the exact set of molecular changes that occur

Може би бихме могли да посочим точния комплект от молекулни промени,

in a brain disorder.

в дадено мозъчно разстройство.

And once we know how those molecules have changed,

И щом разберем как тези молекули са изменени,

whether they've increased in number or changed in pattern,

дали броят им е нараснал или подребата им се е променила,

we could use those as targets for new drugs,

бихме могли да ги използваме като цели за нови лекарства,

for new ways of delivering energy into the brain

нови начини за доставка на енергия до мозъка,

in order to repair the brain computations that are afflicted

за да бъдат възстановени мозъчните изчисления, засегнати

in patients who suffer from brain disorders.

у пациентите, които страдат от мозъчни увреждания.

We've all seen lots of different technologies over the last century

През последния век видяхме много различни технологии,

to try to confront this.

опитващи се да се справят с това.

I think we've all seen brain scans

Мисля, че всички сме виждали мозъчни сканирания

taken using MRI machines.

заснети с ЯМР машини.

These, of course, have the great power that they are noninvasive,

Тяхното огромно предимство е, че са неинвазивни,

they can be used on living human subjects.

могат да се прилагат върху живи хора.

But also, they're spatially crude.

Но те са с ниска пространствена резолюция.

Each of these blobs that you see, or voxels, as they're called,

Всяко петно, което виждате, или воксел, както се наричат,

can contain millions and millions of neurons.

може да съдържа милиони и милиони неврони.

So it's not at the level of resolution

Това не е разделителната способност,

where it can pinpoint the molecular changes that occur

която може точно да посочи молекулните изменения

or the changes in the wiring of these networks

или измененията в свързването на тези мрежи,

that contributes to our ability to be conscious and powerful beings.

които допринасят за способността ни да бъдем съзнателни и силни същества.

At the other extreme, you have microscopes.

В другия край на спектъра са микроскопите.

Microscopes, of course, will use light to look at little tiny things.

Микроскопите използват светлина, за да разглеждат мънички неща.

For centuries, they've been used to look at things like bacteria.

В течение на векове са били използвани за неща като бактериите.

For neuroscience,

В неврологията

microscopes are actually how neurons were discovered in the first place,

самите неврони са били открити с помощта на микроскоп

about 130 years ago.

преди около 130 години.

But light is fundamentally limited.

Но светлината е фундаментално ограничена.

You can't see individual molecules with a regular old microscope.

Не можете да видите единични молекули с обикновен стар микроскоп.

You can't look at these tiny connections.

Не можете да разгледате тези малки връзки.

So if we want to make our ability to see the brain more powerful,

Така че ако искаме да подобрим способността си да виждаме мозъка,

to get down to the ground truth structure,

да се спуснем до основната структура,

we're going to need to have even better technologies.

ще ни трябват още по-добри технологии.

My group, a couple years ago, started thinking:

Преди няколко години групата ми се запита:

Why don't we do the opposite?

Защо не направим обратното?

If it's so darn complicated to zoom in to the brain,

Ако е толкова сложно да гледаме мозъка,

why can't we make the brain bigger?

защо не го уголемим?

It initially started

В началото започна

with two grad students in my group, Fei Chen and Paul Tillberg.

с двама докторанти в групата ми, Фей Чен и Пол Тилбърг.

Now many others in my group are helping with this process.

Сега много други хора в групата ми помагат в този процес.

We decided to try to figure out if we could take polymers,

Решихме да опитаме да открием дали можем да вземем полимери

like the stuff in the baby diaper,

като тези в бебешките пелени

and install it physically within the brain.

и да ги инсталираме физически в мозъка.

If we could do it just right, and you add water,

Ако го направехме правилно и добавехме вода,

you can potentially blow the brain up

бихме могли да надуем мозъка,

to where you could distinguish those tiny biomolecules from each other.

така че да различим малките биомолекули една от друга.

You would see those connections and get maps of the brain.

Бихме могли да видим връзките и да направим карти на мозъка.

This could potentially be quite dramatic.

Това би могло да бъде доста драматично.

We brought a little demo here.

Донесохме малка демонстрация.

We got some purified baby diaper material.

Това е пречистен материал от бебешки пелени.

It's much easier just to buy it off the Internet

Много по-лесно е да си го купите в Интернет,

than to extract the few grains that actually occur in these diapers.

отколкото да извлечете няколкото зрънца от самите пелени.

I'm going to put just one teaspoon here

Слагам чаена лъжичка

of this purified polymer.

от този пречистен полимер.

And here we have some water.

А това тук е вода.

What we're going to do

Ще се опитаме да видим

is see if this teaspoon of the baby diaper material

дали тази чаена лъжичка материал от бебешки пелени

can increase in size.

може да увеличи размера си.

You're going to see it increase in volume by about a thousandfold

Ще видите как нараства около хиляда пъти

before your very eyes.

пред очите ви.

I could pour much more of this in there,

Мога да налея много повече,

but I think you've got the idea

но мисля, че схванахте идеята,

that this is a very, very interesting molecule,

че това е много, много интересна молекула,

and if can use it in the right way,

и ако можем да я използваме правилно,

we might be able to really zoom in on the brain

бихме могли наистина да увеличим мозъка

in a way that you can't do with past technologies.

по начин, невъзможен за миналите технологии.

OK. So a little bit of chemistry now.

Добре. А сега малко химия.

What's going on in the baby diaper polymer?

Какво се случва в полимера от бебешките пелени?

If you could zoom in,

Ако можехте да увеличите,

it might look something like what you see on the screen.

би било изглеждало като това, което виждате на екрана.

Polymers are chains of atoms arranged in long, thin lines.

Полимерите са вериги от атоми, подредени в дълги, тънки редици.

The chains are very tiny,

Веригите са миниатюрни,

about the width of a biomolecule,

с ширината на биомолекула,

and these polymers are really dense.

и тези полимери са наистина нагъсто.

They're separated by distances

Разделящите ги разстояния

that are around the size of a biomolecule.

са от порядъка на размера на биомолекула.

This is very good

Това е много добре,

because we could potentially move everything apart in the brain.

защото ни дава възможността да раздвижим всичко в мозъка.

If we add water, what will happen is,

Ако добавим вода,

this swellable material is going to absorb the water,

набъбващият материал ще я абсорбира,

the polymer chains will move apart from each other,

полимерните вериги ще се разделечат една от друга

and the entire material is going to become bigger.

и целият материал ще нарасне.

And because these chains are so tiny

И понеже тези вериги са толкова малки

and spaced by biomolecular distances,

и са разположени на биомолекулни разстояния,

we could potentially blow up the brain

бихме могли да надуем мозъка,

and make it big enough to see.

така че да го видим.

Here's the mystery, then:

Ето я и загадката:

How do we actually make these polymer chains inside the brain

Как да построим тези полимерни вериги вътре в мозъка,

so we can move all the biomolecules apart?

така че да разделим всички биомолекули?

If we could do that,

Ако можехме да го сторим,

maybe we could get ground truth maps of the brain.

може би щяхме да получим точни карти на мозъка.

We could look at the wiring.

Щяхме да видим свързването.

We can peer inside and see the molecules within.

Можем да погледнем и да видим молекулите вътре.

To explain this, we made some animations

За да обясним това, направихме няколко анимации,

where we actually look at, in these artist renderings,

художнически интерпретации, в които виждаме

what biomolecules might look like and how we might separate them.

как биха изглеждали биомолекулите и как бихме могли да ги разделим.

Step one: what we'd have to do, first of all,

Стъпка първа: това, което трябва да направим,

is attach every biomolecule, shown in brown here,

е да закачим всяка биомолекула, показани тук в кафяво,

to a little anchor, a little handle.

за малка котва или дръжка.

We need to pull the molecules of the brain apart from each other,

Искаме да разделим молекулите на мозъка една от друга

and to do that, we need to have a little handle

и за да го сторим, ни трябва малка дръжка,

that allows those polymers to bind to them

която позволява на полимерите да се свържат

and to exert their force.

и да упражнят силата си.

Now, if you just take baby diaper polymer and dump it on the brain,

Ако просто вземем полимера от пелените и го стоварим върху мозъка,

obviously, it's going to sit there on top.

ще си стои отгоре, очевидно.

So we need to find a way to make the polymers inside.

Трябва да намерим начин да правим полимерите вътре.

And this is where we're really lucky.

И тук сме големи късметлии.

It turns out, you can get the building blocks,

Оказва се, че можем да вземем градивните елементи,

monomers, as they're called,

наречени мономери,

and if you let them go into the brain

и ако ги пуснем в мозъка

and then trigger the chemical reactions,

и после отключим химичните реакции,

you can get them to form those long chains,

можем да ги накараме да образуват тези дълги вериги,

right there inside the brain tissue.

направо вътре в мозъчната тъкан.

They're going to wind their way around biomolecules

Те ще си проправят път около биомолекулите

and between biomolecules,

и между биомолекулите,

forming those complex webs

образуващи тези сложни паяжини,

that will allow you, eventually, to pull apart the molecules

които ще ни позволят в крайна сметка да разделим молекулите

from each other.

една от друга.

And every time one of those little handles is around,

И всеки път, когато наоколо има една от тези малки дръжки,

the polymer will bind to the handle, and that's exactly what we need

полимерът ще се залови за нея, и това е точно каквото ни трябва,

in order to pull the molecules apart from each other.

за да разделим молекулите една от друга.

All right, the moment of truth.

И така, моментът на истината.

We have to treat this specimen

Трябва да третираме тази проба

with a chemical to kind of loosen up all the molecules from each other,

с химикал, за да отпуснем молекулите,

and then, when we add water,

и после, когато добавим водата,

that swellable material is going to start absorbing the water,

набъбващият материал ще започне да я абсорбира,

the polymer chains will move apart,

полимерните вериги ще се разделечат,

but now, the biomolecules will come along for the ride.

но сега биомолекулите ще тръгнат с тях.

And much like drawing a picture on a balloon,

Малко като да нарисуваме картина върху балон

and then you blow up the balloon,

и после да го надуем,

the image is the same,

картината е същата,

but the ink particles have moved away from each other.

но частиците на мастилото са се разделечили.

And that's what we've been able to do now, but in three dimensions.

Точно това успяхме да направим сега, но в три измерения.

There's one last trick.

Има един последен трик.

As you can see here,

Както можете да видите,

we've color-coded all the biomolecules brown.

оцветили сме всички биомолекули в кафяво.

That's because they all kind of look the same.

Това е, понеже те изглеждат горе-долу еднакво.

Biomolecules are made out of the same atoms,

Биомолекулите са изградени от едни и същи атоми,

but just in different orders.

но в различен ред.

So we need one last thing

Трябва ни едно последно нещо,

in order to make them visible.

за да ги направим видими.

We have to bring in little tags,

Трябва да внесем малки етикети,

with glowing dyes that will distinguish them.

със светещи бои, които ще ги откроят.

So one kind of biomolecule might get a blue color.

Така един вид биомолекула може да се оцвети в синьо.

Another kind of biomolecule might get a red color.

Друг вид биомолекула може да се оцвети в червено.

And so forth.

И така нататък.

And that's the final step.

И това е финалната крачка.

Now we can look at something like a brain

Сега можем да погледнем нещо като мозъка

and look at the individual molecules,

и да разгледаме единични молекули,

because we've moved them far apart enough from each other

понеже сме ги преместили достатъчно далеч една от друга,

that we can tell them apart.

че да можем да ги различим.

So the hope here is that we can make the invisible visible.

Идеята тук е да направим невидимото видимо.

We can turn things that might seem small and obscure

Можем да вземем неща, които изглеждат малки и неясни,

and blow them up

и да ги уголемим,

until they're like constellations of information about life.

докато не се превърнат в съзвездия от информация за живота.

Here's an actual video of what it might look like.

Ето и видео, показващо как това изглежда наистина.

We have here a little brain in a dish --

Имаме малък мозък в чинийка --

a little piece of a brain, actually.

всъщност малко парченце мозък.

We've infused the polymer in,

Включили сме полимера

and now we're adding water.

и сега добавяме вода.

What you'll see is that, right before your eyes --

Виждате с очите си как --

this video is sped up about sixtyfold --

това видео е ускорено около 60 пъти --

this little piece of brain tissue is going to grow.

това малко парченце мозъчна тъкан започва да расте.

It can increase by a hundredfold or even more in volume.

Може да увеличи обема си сто или повече пъти.

And the cool part is, because those polymers are so tiny,

И готината част е, че понеже тези полимери са толкова малки,

we're separating biomolecules evenly from each other.

разделяме биомолекулите равномерно.

It's a smooth expansion.

Експанзията е гладка.

We're not losing the configuration of the information.

Няма да изгубим конфигурацията на информацията.

We're just making it easier to see.

Просто ще я направим по-лесна за виждане.

So now we can take actual brain circuitry --

Сега можем да вземем истински мозъчни връзки --

here's a piece of the brain involved with, for example, memory --

това тук е парче мозък, участващо в, например, паметта --

and we can zoom in.

и да ги уголемим.

We can start to actually look at how circuits are configured.

Можем да започнем да гледаме как са конфигурирани връзките.

Maybe someday we could read out a memory.

Може би някой ден ще можем да разчетем спомен.

Maybe we could actually look at how circuits are configured

Ще можем наистина да видим как са конфигурирани връзките,

to process emotions,

за да обработват емоции,

how the actual wiring of our brain is organized

как връзките в мозъка са организирани,

in order to make us who we are.

за да ни направи тези, които сме.

And of course, we can pinpoint, hopefully,

И можем да посочим, надяваме се,

the actual problems in the brain at a molecular level.

точните проблеми в мозъка на молекулярно равнище.

What if we could actually look into cells in the brain

Ако можехме наистина да надзърнем в мозъчните клетки

and figure out, wow, here are the 17 molecules that have altered

и да видим, леле, ето ги 17-те молекули, които са се изменили

in this brain tissue that has been undergoing epilepsy

в тази мозъчна тъкан с епилепсия

or changing in Parkinson's disease

или се изменят в Паркинсон,

or otherwise being altered?

или се променят по друг начин?

If we get that systematic list of things that are going wrong,

Ако изготвим систематичен списък на нещата, които не вървят,

those become our therapeutic targets.

те ще се превърнат в терапевтични цели.

We can build drugs that bind those.

Можем да създадем лекарства, които се свързват с тях.

We can maybe aim energy at different parts of the brain

Може би ще насочваме енергия към различни части на мозъка,

in order to help people with Parkinson's or epilepsy

за да помогнем на хората с Паркинсон или епилепсия

or other conditions that affect over a billion people

или други проблеми, които афектират над един милиард души

around the world.

по света.

Now, something interesting has been happening.

Нещо интересно се случва в момента.

It turns out that throughout biomedicine,

Оказва се, че в биомедицината

there are other problems that expansion might help with.

има други проблеми, където експанзията може да помогне.

This is an actual biopsy from a human breast cancer patient.

Това е биопсия на пациентка, страдаща от рак на гърдата.

It turns out that if you look at cancers,

Оказва се, че ако разгледаме рака,

if you look at the immune system,

ако разгледаме имунната система,

if you look at aging, if you look at development --

остаряването, развитието --

all these processes are involving large-scale biological systems.

всички тези процеси включват мащабни биологични системи.

But of course, the problems begin with those little nanoscale molecules,

Но проблемите започват с тези малки наноскопични молекули,

the machines that make the cells and the organs in our body tick.

машините, които карат клетките и органите в тялото ни да тиктакат.

So what we're trying to do now is to figure out

Така че сега се опитваме да разберем

if we can actually use this technology to map the building blocks of life

дали можем да използваме тази технология, за да картографираме тухличките на живота

in a wide variety of diseases.

в широк набор от болести.

Can we actually pinpoint the molecular changes in a tumor

Можем ли точно да посочим молекулярните промени в тумора,

so that we can actually go after it in a smart way

така че да го атакуваме по интелигентен начин

and deliver drugs that might wipe out exactly the cells that we want to?

и да създадем лекарства, които да унищожат точно клетките, които искаме?

You know, a lot of medicine is very high risk.

Голяма част от медицината е с много висок риск.

Sometimes, it's even guesswork.

Понякога е дори налучкване.

My hope is we can actually turn what might be a high-risk moon shot

Надеждата ми е да можем да превърнем един високорисков полет до луната

into something that's more reliable.

в нещо по-сигурно.

If you think about the original moon shot,

Ако се замислите, оригиналният полет до луната,

where they actually landed on the moon,

с все кацането на луната,

it was based on solid science.

е бил базиран на солидна наука.

We understood gravity;

Разбирали сме гравитацията;

we understood aerodynamics.

разбирали сме аеродинамиката.

We knew how to build rockets.

Знаели сме как да строим ракети.

The science risk was under control.

Научният риск е бил под контрол.

It was still a great, great feat of engineering.

И въпреки това е бил голям, голям инженерен подвиг.

But in medicine, we don't necessarily have all the laws.

Но в медицината все още не разполагаме с всички закони.

Do we have all the laws that are analogous to gravity,

Знаем ли всички закони, аналогични на гравитацията

that are analogous to aerodynamics?

или на аеродинамиката?

I would argue that with technologies

Бих казал, че с технологиите,

like the kinds I'm talking about today,

като тази, за която говоря днес,

maybe we can actually derive those.

може би ще можем да ги изведем.

We can map the patterns that occur in living systems,

Можем да картографираме моделите в живите системи

and figure out how to overcome the diseases that plague us.

и да разберем как да превъзмогнем болестите, които ни морят.

You know, my wife and I have two young kids,

Знаете ли, с жена ми имаме две малки деца

and one of my hopes as a bioengineer is to make life better for them

и една от надеждите ми като биоинженер е да направя живота им по-добър

than it currently is for us.

от нашия понастоящем.

And my hope is, if we can turn biology and medicine

Надеждата ми е да можем да превърнем биологията и медицината

from these high-risk endeavors that are governed by chance and luck,

от тези високорискови начинания, управлявани от шанс и късмет,

and make them things that we win by skill and hard work,

в неща, които извличаме чрез умения и усърдна работа,

then that would be a great advance.

и това би бил страхотен напредък.

Thank you very much.

Благодаря Ви много.

(Applause)

(Ръкопляскане)