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

Překladatel: Terka Dračková Korektor: Petr Bela

Hello, everybody.

Zdravím všechny.

I brought with me today a baby diaper.

Dnes jsem s sebou přinesl dětskou plenku.

You'll see why in a second.

Za chvilku uvidíte proč.

Baby diapers have interesting properties.

Dětské pleny mají zajímavé vlastnosti.

They can swell enormously when you add water to them,

Když do nich přidáte vodu, ohromně nabobtnají,

an experiment done by millions of kids every day.

což dokazují miliony dětí každý den.

(Laughter)

(smích)

But the reason why

Důvodem je chytrý způsob,

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

jakým jsou navrženy.

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

Jsou vyrobeny z takzvaného bobtnavého materiálu.

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

Jde o speciální látku,

it will swell up enormously,

která po přidání vody zvětší svůj objem

maybe a thousand times in volume.

a to až tisíckrát.

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

Je to velmi užitečný průmyslový druh polymeru.

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

V mé skupině na MIT se snažíme zjistit,

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

jestli můžeme něco podobného provést s mozkem.

Can we make it bigger,

Můžeme ho zvětšit?

big enough that you can peer inside

Dostatečně na to, abychom nakoukli dovnitř

and see all the tiny building blocks, the biomolecules,

a viděli všechny stavební jednotky, biomolekuly,

how they're organized in three dimensions,

jak jsou uspořádány ve třech dimenzích;

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

tu nejhlubší stukturu mozku?

If we could get that,

Kdyby se nám to povedlo,

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

mohli bychom lépe pochopit, jak je mozek uspořádán,

to yield thoughts and emotions

aby vytvářel myšlenky a emoce,

and actions and sensations.

akce a pocity.

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

Mohli bychom určit přesné změny v mozku,

that result in diseases,

které způsobují nemoci,

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

nemoci jako je Alzheimer, epilepsie a Parkinson,

for which there are few treatments, much less cures,

které zatím neumíme léčit, natož vyléčit,

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

a o nichž často ani nevíme,

and what's really causing them to occur.

co je způsobuje.

Now, our group at MIT

Naše skupina na MIT

is trying to take a different point of view

se snaží podívat na problém z jiného úhlu,

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

odlišného od zavedených postupů neurovědy.

We're designers. We're inventors.

Jsme návrháři. Jsme vynálezci.

We're trying to figure out how to build technologies

Snažíme se vyvinout technologie,

that let us look at and repair the brain.

které nám umožní podívat se na mozek a opravit jej.

And the reason is,

A to proto,

the brain is incredibly, incredibly complicated.

že je mozek neuvěřitelně komplikovaný.

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

Jak jsme zjistili v prvním století neurovědy,

is that the brain is a very complicated network,

mozek je velmi komplikovaná síť

made out of very specialized cells called neurons

sestavená ze specializovaných buněk zvaných neurony,

with very complex geometries,

které mají komplexní geometrii

and electrical currents will flow through these complexly shaped neurons.

a skrz které protéká elektrický proud.

Furthermore, neurons are connected in networks.

Mimoto, neurony jsou spojeny do sítí.

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

A to pomocí malých spojek zvaných synapse, které si vyměňují látky,

and allow the neurons to talk to each other.

a tak umožňují neuronům mezi sebou komunikovat.

The density of the brain is incredible.

Hustota mozku je neuvěřitelná.

In a cubic millimeter of your brain,

V jednom milimetru krychlovém vašeho mozku

there are about 100,000 of these neurons

se nachází cca 100 000 těchto neuronů

and maybe a billion of those connections.

a možná až miliarda oněch spojení.

But it's worse.

Ale je to horší.

So, if you could zoom in to a neuron,

Pokud si přiblížíme neuron

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

- toto je jen umělecká interpretace -

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

uvidíme tisíce a tisíce druhů biomolekul,

little nanoscale machines organized in complex, 3D patterns,

malých nanostrojů, uspořádaných do komplexních 3D vzorů,

and together they mediate those electrical pulses,

které společně zprostředkovávají elektrické impulzy,

those chemical exchanges that allow neurons to work together

ty látkové výměny, které umožňují neuronům pracovat společně,

to generate things like thoughts and feelings and so forth.

vytvářet myšlenky, pocity a tak dále.

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

Nevíme, jak jsou neurony v mozku uspořádány,

to form networks,

jak vytváří sítě

and we don't know how the biomolecules are organized

a nevíme, jak jsou uspořádány biomolekuly

within neurons

uvnitř neuronů,

to form these complex, organized machines.

aby tvořily komplexní stroje.

If we really want to understand this,

Pokud tomu chceme opravdu porozumět,

we're going to need new technologies.

budeme potřebovat nové technologie.

But if we could get such maps,

Pokud bychom získali takovéto mapy

if we could look at the organization of molecules and neurons

a mohli se podívat na uspořádání molekul a neuronů

and neurons and networks,

a neuronů a sítí,

maybe we could really understand how the brain conducts information

možná bychom mohli pochopit,

jak mozek zachází s informacemi ze senzorických oblastí,

from sensory regions,

mixes it with emotion and feeling,

míchá je s emocemi a pocity

and generates our decisions and actions.

a vytváří naše rozhodnutí a činy.

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

Možná bychom mohli určit přesné molekulární změny,

které se objevují při mozkové poruše.

in a brain disorder.

And once we know how those molecules have changed,

A když budeme vědět, jak se molekuly změnily,

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

jestli se zvětšil jejich počet nebo konfigurace,

we could use those as targets for new drugs,

můžeme je použít jako cíle pro nové léky,

for new ways of delivering energy into the brain

jako nosiče energie,

in order to repair the brain computations that are afflicted

která pomůže opravit postižené části mozku

in patients who suffer from brain disorders.

u pacientů s mozkovou poruchou.

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

V posledních sto letech jsme viděli mnoho různých technologií,

které se s tím snažily poprat.

to try to confront this.

I think we've all seen brain scans

Myslím, že všichni známe obrázky mozku,

taken using MRI machines.

které vytváří MRI (mag. rezonance).

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

Jejich plus je, že jsou neinvazivní

they can be used on living human subjects.

a mohou být použity na živých lidech.

But also, they're spatially crude.

Ale zároveň nejsou dost detailní.

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

Každá skvrna, kterou tady vidíte, neboli takzvaný voxel,

can contain millions and millions of neurons.

obsahuje miliony neuronů.

So it's not at the level of resolution

Což rozhodně není úroveň rozlišení,

where it can pinpoint the molecular changes that occur

která by nám umožnila určit molekulární změny

or the changes in the wiring of these networks

nebo změny v sestavení sítí,

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

které se podílejí na našem vědomí.

At the other extreme, you have microscopes.

Druhým extrémem jsou mikroskopy.

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

Ty používají světlo ke zvětšení malých věciček.

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

Staletí se využívají k pozorování bakterií.

For neuroscience,

Před 130 lety

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

neurovědci použili mikroskop

about 130 years ago.

a objevili tak neurony.

But light is fundamentally limited.

Ale světlo je v podstatě limitováno.

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

S běžným mikroskopem nemůžete vidět jednotlivé molekuly.

You can't look at these tiny connections.

Nemůžete se dívat na ta malá spojení.

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

Takže pokud se chceme podívat

to get down to the ground truth structure,

na pravou strukturu mozku,

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

budeme potřebovat ještě lepší technologie.

My group, a couple years ago, started thinking:

Mou skupinu před pár lety napadlo:

Why don't we do the opposite?

Proč to neudělat naopak?

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

Když je tak těžké přiblížit mozek,

why can't we make the brain bigger?

proč ho nezkusíme zvětšit?

It initially started

Začínali jsme se dvěma postgraduálními studenty,

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

kterými byli Fei Chen a Paul Tillberg.

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

Dneska nám pomáhá více lidí.

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

Rozhodli jsme se zjistit, jestli můžeme vzít polymery,

like the stuff in the baby diaper,

jako ty v dětských plenách,

and install it physically within the brain.

a fyzicky je vložit do mozku.

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

Pokud to uděláme správně a přidáme vodu,

you can potentially blow the brain up

mohli bychom mozek nafouknout

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

a rozlišit tak od sebe jednotlivé biomolekuly.

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

Viděli bychom tak ona spojení a získali "mapu" mozku.

This could potentially be quite dramatic.

A tady to začíná být zajímavé.

We brought a little demo here.

Předvedu vám krátkou ukázku.

We got some purified baby diaper material.

Vzali jsme čistý materiál plenek.

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

Je snažší koupit ho na internetu,

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

než extrahovat pár zrnek ze skutečné plenky.

I'm going to put just one teaspoon here

Dám jednu lžičku čistého polymeru

of this purified polymer.

sem do misky.

And here we have some water.

A tady máme trochu vody.

What we're going to do

Uvidíme,

is see if this teaspoon of the baby diaper material

jestli dokáže tenhle plenkový materiál

can increase in size.

zvětšit svůj objem.

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

Na vlastní oči uvidíte,

jak zvětší svůj objem asi tisíckrát.

before your very eyes.

I could pour much more of this in there,

Mohl bych tam nalít více vody,

but I think you've got the idea

ale myslím, že jste pochopili,

that this is a very, very interesting molecule,

že se jedná o velmi zajímavou molekulu,

and if can use it in the right way,

která nám umožní

we might be able to really zoom in on the brain

doopravdy přiblížit mozek a to způsobem,

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

o kterém si současné technologie mohou nechat jen zdát.

OK. So a little bit of chemistry now.

OK, a teď trochu chemie.

What's going on in the baby diaper polymer?

Co se děje v plenkovém polymeru?

If you could zoom in,

Kdybychom ho mohli přiblížit,

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

vypadal by asi nějak takhle.

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

Polymery jsou dlouhé tenké řetězce atomů.

The chains are very tiny,

Tyto řetězce jsou drobné,

about the width of a biomolecule,

jen na šířku biomolekuly

and these polymers are really dense.

a jsou opravdu husté.

They're separated by distances

Mezi nimi je mezera

that are around the size of a biomolecule.

o velikosti molekuly.

This is very good

A to je dobře,

because we could potentially move everything apart in the brain.

protože teoreticky od sebe můžeme oddělit každý kousek mozku.

If we add water, what will happen is,

Když přidáme vodu,

this swellable material is going to absorb the water,

bobtnavý materiál absorbuje vodu,

the polymer chains will move apart from each other,

polymerové řetězce se od sebe oddělí

and the entire material is going to become bigger.

a všechen materiál se zvětší.

And because these chains are so tiny

Protože jsou tyto řetězce tak malé

and spaced by biomolecular distances,

a mezery mezi nimi také,

we could potentially blow up the brain

můžeme mozek nafouknout,

and make it big enough to see.

abychom vše lépe viděli.

Here's the mystery, then:

Ptáme se tedy:

How do we actually make these polymer chains inside the brain

Jak můžeme dostat tyto polymery do mozku

so we can move all the biomolecules apart?

a oddělit biomolekuly od sebe?

If we could do that,

Když se nám to povede,

maybe we could get ground truth maps of the brain.

můžeme získat přesné mapy mozku.

We could look at the wiring.

Můžeme se podívat na spoje.

We can peer inside and see the molecules within.

Můžeme nakouknout dovnitř a spatřit molekuly.

To explain this, we made some animations

Abych to lépe vysvětlil,

where we actually look at, in these artist renderings,

podívejme se na umělecké animace,

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

jak by mohly biomolekuly vypadat a jak je můžeme oddělit.

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

Krok 1: Ze všecho nejdřív

is attach every biomolecule, shown in brown here,

připevníme každou molekulu, tady jsou zobrazeny hnědě,

to a little anchor, a little handle.

k malé kotvě nebo rukojeti.

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

Musíme tyto části od sebe oddělit,

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

a k tomu potřebujeme rukojeť,

that allows those polymers to bind to them

na kterou se polymery navážou

and to exert their force.

a využijí její sílu.

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

Kdybychom vzali plenkový polymer a vysypali ho na mozek,

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

samozřejmě by zůstal jen na povrchu.

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

Takže musíme najít způsob, jak ho vyrobit uvnitř.

And this is where we're really lucky.

A tady jsme měli štěstí.

It turns out, you can get the building blocks,

Ukazuje se, že můžeme vzít "základní kameny",

monomers, as they're called,

které nazýváme monomery,

and if you let them go into the brain

dát je do mozku

and then trigger the chemical reactions,

a spustit chemické reakce,

you can get them to form those long chains,

díky kterým se spojí v dlouhé řetězce

right there inside the brain tissue.

přímo uvnitř mozkové tkáně.

They're going to wind their way around biomolecules

Omotají se okolo biomolekul

and between biomolecules,

propletou se mezi nimi

forming those complex webs

a vytvoří komplexní sítě,

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

které nám umožní

jednotlivé molekuly od sebe oddělit.

from each other.

And every time one of those little handles is around,

A pokaždé, když polymer narazí na rukojeť,

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

naváže se na ni,

a to je to, co potřebujeme, abychom mohli molekuly od sebe oddělit.

in order to pull the molecules apart from each other.

All right, the moment of truth.

A nyní, okamžik pravdy.

We have to treat this specimen

Musíme náš vzorek chemicky upravit,

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

aby vazby mezi molekulami povolily,

and then, when we add water,

a pak, když přidáme vodu,

that swellable material is going to start absorbing the water,

bobtnavý materiál vodu nasaje,

the polymer chains will move apart,

polymerové řetězce se oddělí

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

ale tentokrát s sebou vezmou i biomolekuly.

And much like drawing a picture on a balloon,

Tak jako obrázek nakreslený na balónku,

and then you blow up the balloon,

který poté nafouknete,

the image is the same,

obraz zůstane stejný,

but the ink particles have moved away from each other.

jenom se od sebe jednotlivé body vzdálí.

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

A přesně tohle nyní dokážeme ve třech dimenzích.

There's one last trick.

Ještě poslední trik.

As you can see here,

Jak můžete vidět,

we've color-coded all the biomolecules brown.

obarvili jsme všechny biomolekuly na hnědo.

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

To proto, že všechny vypadají v podstatě stejně.

Biomolecules are made out of the same atoms,

Jsou vytvořeny ze stejných atomů,

but just in different orders.

jenom v jiném pořadí.

So we need one last thing

Potřebujeme tedy poslední věc,

in order to make them visible.

abychom je zviditelnili.

We have to bring in little tags,

Označkujeme je za pomocí jasných barev

with glowing dyes that will distinguish them.

a tak je rozlišíme.

So one kind of biomolecule might get a blue color.

Jeden typ molekul bude modrý.

Another kind of biomolecule might get a red color.

Další červený,

And so forth.

a tak dále.

And that's the final step.

To je poslední krok.

Now we can look at something like a brain

Nyní se můžeme podívat na mozek

and look at the individual molecules,

a vidět jednotlivé molekuly,

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

protože jsme je od sebe vzdálili natolik,

that we can tell them apart.

že je dokážeme rozlišit.

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

Myšlenka je tedy taková, že neviditelné zviditelníme.

We can turn things that might seem small and obscure

Můžeme vzít malé a nejasné věci

and blow them up

a nafouknout je

until they're like constellations of information about life.

a číst v nich informace o životě.

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

Toto je skutečné video, jak by to mohlo vypadat.

We have here a little brain in a dish --

Máme malý mozek na misce,

a little piece of a brain, actually.

vlastně kousek mozku.

We've infused the polymer in,

Nalili jsme dovnitř polymer

and now we're adding water.

a teď přidáme vodu.

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

Uvidíte na vlastní oči --

this video is sped up about sixtyfold --

je to asi šedesátkrát zrychlené --

this little piece of brain tissue is going to grow.

jak tento malý kousek mozkové tkáně roste.

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

Může zvětšit svůj objem až tisíckrát.

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

A ta nejsuprovnější část je, že polymery jsou tak malé,

we're separating biomolecules evenly from each other.

že oddělují biomolekuly od sebe rovnoměrně.

It's a smooth expansion.

Je to hladká expanze.

We're not losing the configuration of the information.

Neztrácíme konfiguraci informací.

We're just making it easier to see.

Jenom je zviditelňujeme.

So now we can take actual brain circuitry --

Takže můžeme vzít reálný mozkový obvod --

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

například kousek obsahující paměť --

and we can zoom in.

a zvětšit si ho.

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

Můžeme se podívat, jak obvody vypadají ve skutečnosti.

Maybe someday we could read out a memory.

Jednoho dne možná budeme číst v paměti.

Maybe we could actually look at how circuits are configured

Mohli bychom vidět, jak obvody pracují,

to process emotions,

jak zpracovávají emoce,

how the actual wiring of our brain is organized

a jak uspořádání spojení

in order to make us who we are.

tvoří to, čím jsme.

And of course, we can pinpoint, hopefully,

A snad budeme moci ukázat

the actual problems in the brain at a molecular level.

na skutečné problémy v mozku na molekulární úrovni.

What if we could actually look into cells in the brain

Co kdybychom se mohli skutečně podívat do buněk mozku

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

a říct: Jé, tady se změnilo 17 molekul tkáně,

in this brain tissue that has been undergoing epilepsy

kvůli epilepsii

or changing in Parkinson's disease

nebo Parkinosově chorobě

or otherwise being altered?

nebo bylo jinak změněno?

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

Když dostaneme systematický seznam věcí, které jsou špatně,

those become our therapeutic targets.

zaměříme na ně terapii.

We can build drugs that bind those.

Můžeme na ně navázat léky.

We can maybe aim energy at different parts of the brain

Můžeme cílit energii do různých částí mozku,

in order to help people with Parkinson's or epilepsy

abychom pomohli lidem s Parkinsonem nebo epilepsií

or other conditions that affect over a billion people

nebo s jinými potížemi, které postihují miliardy lidí

around the world.

po celém světě.

Now, something interesting has been happening.

Děje se něco zajímavého.

It turns out that throughout biomedicine,

V celé biomedicíně se ukazuje,

there are other problems that expansion might help with.

že expanze by mohla pomoci s dalšími problémy.

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

Toto je skutečná biopsie lidského nádoru prsu.

It turns out that if you look at cancers,

Když se podíváme na rakovinu,

if you look at the immune system,

na imunitní systém,

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

na stárnutí, na vývoj --

all these processes are involving large-scale biological systems.

všechny tyto procesy zahrnují biologické systémy ve velkém měřítku.

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

Ale problém nastává u molekul v nano velikosti,

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

stroječků, které ovládají buňky a orgány.

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

Takže se snažíme zjistit,

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

jestli můžeme tuto technologii mapování stavebních kamenů života

in a wide variety of diseases.

použít v širší škále onemocnění.

Can we actually pinpoint the molecular changes in a tumor

Můžem skutečně určit molekulární změny v nádoru,

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

abychom na něj mohli jít chytřeji

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

a dodat léky, které odstraní přesně ty buňky, které chceme?

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

Víte, v medicíně je všechno velký risk.

Sometimes, it's even guesswork.

Někdy je to dokonce tipování.

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

Já doufám, že tento krok do neznáma

into something that's more reliable.

učiníme něčím spolehlivějším.

If you think about the original moon shot,

Když si vybavíte první cestu na Měsíc,

where they actually landed on the moon,

kdy skutečně přistáli na Měsíci,

it was based on solid science.

byla založena na solidní vědě.

We understood gravity;

Rozuměli jsme gravitaci,

we understood aerodynamics.

rozuměli jsme aerodynamice.

We knew how to build rockets.

Uměli jsme postavit rakety.

The science risk was under control.

Byl to vědecky kontrolovaný risk.

It was still a great, great feat of engineering.

Pořád to byl skvělý výkon techniky.

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

Ale v medicíně nutně nemáme všechny zákony.

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

Máme analogii ke gravitaci?

that are analogous to aerodynamics?

Analogii k aerodynamice?

I would argue that with technologies

Tvrdil bych, že s technologiemi,

like the kinds I'm talking about today,

o jakých dnes mluvím,

maybe we can actually derive those.

je možná můžeme odvodit.

We can map the patterns that occur in living systems,

Můžeme zmapovat schémata v živých systémech,

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

a zjistit, jak překonat nemoci, které nás trápí.

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

Víte, se ženou máme dvě malé děti

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

a jednou z mých nadějí jako bioinženýra,

than it currently is for us.

je udělat pro ně život lepší, než jaký ho máme my.

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

Doufám, že změníme biologii a medicínu

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

z vysoce riskantních snah, které záleží na štěstí

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

a uděláme z nich obory, které vítězí umem a tvrdou prací;

then that would be a great advance.

pak získáme velkou výhodu.

Thank you very much.

Děkuji mnohokrát.

(Applause)

(Potlesk)