Ed Boyden: A light switch for neurons

Ed Boyden: Ein Lichtschalter für Neuronen.

Übersetzung: Paul Boeck Lektorat: Alex Boos

Denken Sie einen Moment über Ihren Tag nach.

Think about your day for a second.

You woke up, felt fresh air on your face as you walked out the door,

Sie sind aufgewacht, haben frische Luft im Gesicht gespürt, als Sie das Haus verließen,

encountered new colleagues and had great discussions

haben neue Kollegen getroffen und tolle Diskussionen geführt

und ein Aha-Erlebnis gehabt, als Sie etwas neues gefunden haben.

and felt in awe when you found something new.

Aber ich wette, es gibt etwas, woran Sie heute nicht gedacht haben --

But I bet there's something you didn't think about today,

etwas so nah,

something so close to home,

dass Sie vermutlich überhaupt nicht oft daran denken.

you probably don't think about it very often at all.

Und zwar dass all die Wahrnehmungen, Gefühle,

And that's that all those sensations, feelings, decisions and actions

Entscheidungen und Handlungen

von dem Computer in Ihrem Kopf,

are mediated by the computer in your head

dem Gehirn vermittelt werden.

called your brain.

Now, the brain may not look like much from the outside --

Nun mag das Gehirn von außen vielleicht nicht viel hermachen --

a paar Pfund rosa-graues Fleisch

a couple pounds of pinkish-gray flesh,

formlos --

amorphous.

But the last 100 years of neuroscience have allowed us to zoom in on the brain

aber die letzten Jahrhunderte der Neurowissenschaften

erlauben uns einen genaueren Blick auf das Gehirn

and to see the intricacy of what lies within.

und lassen uns seine Komplexität erkennen.

And they've told us that this brain is an incredibly complicated circuit

Sie haben uns gesagt, dass dieses Gehirn

ein unglaublich komplizierter Schaltkreis ist,

made out of hundreds of billions of cells called neurons.

bestehend aus hunderten Milliarden Zellen, genannt Neuronen.

Now, unlike a human-designed computer,

Im Gegensatz zu menschengemachten Computern

where there's a fairly small number of different parts,

bestehend nur aus wenigen verschiedenen Teilen --

wir wissen, wie sie funktionieren, weil wir Menschen sie gemacht haben --

and we know how they work because we humans designed them,

the brain is made out of thousands of different kinds of cells,

besteht das Gehirn aus tausenden unterschiedlichen Zellen,

vielleicht zehntausende.

maybe tens of thousands.

They come in different shapes; they're made out of different molecules;

Sie haben unterschiedliche Formen, bestehen aus unterschiedlichen Molekülen;

und sie ragen in verschiedene Hirnregionen und verbinden sie.

they project and connect to different brain regions.

Außerdem verändern sie sich unterschiedlich in verschiedenen Krankheitsstadien.

They also change in different ways in different disease states.

Lassen Sie uns konkret werden.

Let's make it concrete.

There's a class of cells,

Es gibt eine Klasse Zellen,

a fairly small cell, an inhibitory cell, that quiets its neighbors.

eine eher kleine Zelle, eine hemmende, die ihre Nachbarn beruhigt.

Sie ist eine der Zellen, die bei Krankheiten wie Schizophrenie zu verkümmern scheinen.

It's one of the cells that seems to be atrophied

in disorders like schizophrenia.

It's called the basket cell.

Sie wird Korbzelle genannt.

And this cell is one of the thousands of kinds of cell

Und diese Zelle ist eine der tausend verschiedenen Zellarten,

von denen wir lernen.

that we're learning about.

New ones are being discovered every day.

Neue Arten werden jeden Tag endeckt.

Ein zweites Beispiel:

As just a second example:

these pyramidal cells, large cells, can span a significant fraction

Diese Pyramidenzellen, große Zellen,

sie können weite Teile des Gehirns umfassen.

of the brain.

Sie sind erregend.

They're excitatory.

Und sie sind eine der Zellen,

And these are some of the cells that might be overactive

die bei Erkrankungen wie Epilepsie überaktiv sein können.

in disorders such as epilepsy.

Jede dieser Zellen

Every one of these cells is an incredible electrical device.

ist ein unglaublicher elektrischer Apparat.

They receive inputs from thousands of upstream partners

Sie erhalten tausende Eingänge von vorgeschalteten Partnern

und errechnen ihre eigenen elektrischen Ausgaben,

and compute their own electrical outputs,

which then, if they pass a certain threshold,

welche dann, falls sie einen gewissen Schwellenwert überschreiten,

an tausende nachgeschaltete Partner gehen.

will go to thousands of downstream partners.

Und der ganze Prozess, der nur eine Millisekunde oder so dauert,

And this process, which takes just a millisecond or so,

happens thousands of times a minute in every one of your 100 billion cells,

passiert tausende male pro Minute

in jeder Ihrer 100 Milliarden Zellen,

as long as you live and think and feel.

so lange Sie leben,

und denken und fühlen.

So how are we going to figure out what this circuit does?

Wie finden wir also heraus, was dieser Schaltkreis tut?

Idealerweise können wir durch den Schaltkreis gehen

Ideally, we could go through this circuit

und jede einzelne Zellart an- und ausschalten

and turn these different kinds of cell on and off

and see whether we could figure out

und sehen ob wir herausfinden konnten,

which ones contribute to certain functions

welche zu bestimmten Funktionen beitragen

and which ones go wrong in certain pathologies.

und welche bei bestimmten Symptomen versagen.

Wenn wir Zellen aktivieren könnten, dann könnten wir sehen, welche Kräfte sie entfesseln können,

If we could activate cells, we could see what powers they can unleash,

was sie auslösen und erhalten können.

what they can initiate and sustain.

Wenn wir sie ausschalten könnten,

If we could turn them off,

then we could try and figure out what they're necessary for.

dann könnten wir versuchen herauszufinden, wofür sie gut sind.

Und das ist die Geschichte, die ich heute erzählen werde.

And that's the story I'm going to tell you about today.

Und ehrlich gesagt, was wir in den letzten 11 Jahren durchgemacht haben,

And honestly, where we've gone through over the last 11 years,

bei dem Versuch herauszufinden

through an attempt to find ways

of turning circuits and cells and parts and pathways of the brain

wie man Schaltkreise und Zellen und Teile und Pfade des Gehirns

an- und ausschalten kann,

on and off,

um einerseits die Theorie zu verstehen

both to understand the science

and also to confront some of the issues that face us all as humans.

und andererseits einige der Probleme zu begegnen,

die uns als alle als Menschen betrifft.

Now, before I tell you about the technology,

Bevor ich anfange, über die Technologie zu reden,

the bad news is that a significant fraction of us in this room,

die schlechte Nachricht ist, dass ein großer Teil von uns in diesem Raum,

falls wir lang genug leben,

if we live long enough,

will encounter, perhaps, a brain disorder.

wahrscheinlich an einer Hirnkrankheit leiden werden.

Heute hatte bereits eine Milliarde Menschen

Already, a billion people have had some kind of brain disorder

irgendeine Art Hirnkrankheit

die sie einschränkt.

that incapacitates them.

The numbers don't do it justice, though.

Die Zahlen sind aber nicht alles.

These disorders -- schizophrenia, Alzheimer's,

Diese Krankheiten -- Schizophrenie, Alzheimer,

Depressionen, Abhängigkeit --

depression, addiction --

they not only steal away our time to live,

sie stehlen nicht nur unsere Lebenszeit, sie verändern auch, wer wir sind;

they change who we are.

They take our identity and change our emotions

sie nehmen unsere Identität und verändern unsere Gefühle --

and change who we are as people.

und verändern, wer wir sind als Menschen.

Now, in the 20th century,

Im 20. Jahrhundert

gab es einige Hoffnung

there was some hope that was generated

through the development of pharmaceuticals for treating brain disorders.

durch die Entwicklung der Pharmazeutika um Hirnkrankheiten zu behandeln.

Und während viele Medikamente entwickelt wurden

And while many drugs have been developed

that can alleviate symptoms of brain disorders,

die Symptome der Hirnkrankheiten lindern können,

kann praktisch keine von ihnen als geheilt gelten.

practically none of them can be considered to be cured.

In part, that's because, if you think about it,

Das liegt teilweise daran, dass wir das Gehirn in Chemikalien baden.

we're bathing the brain in a chemical --

Dieser ausgefeilte Schaltkreis

this elaborate circuit, made of thousands of different kinds of cell --

bestehend aus tausenden unterschiedlichen Zellen

wird in einer Substanz gebadet.

is being bathed in a substance.

That's also why most of the drugs, not all, on the market

Daher haben die meisten Medikamente, nicht alle, auf dem Markt

einige schwere Nebenwirkungen.

can present some kind of serious side effect too.

Einige Leute haben Trost

Now some people have gotten some solace from electrical stimulators

in elektrischen Stimulatoren gefunden, die ins Gehirn implantiert werden.

that are implanted in the brain,

for Parkinson's disease or cochlear implants.

Und für die Parkinson-Krankheit,

Cochleaimplantate,

These have indeed been able to bring some kind of remedy

die waren tatsächlich in der Lage

einige Besserung

to people with certain kinds of disorders.

für Leute mit bestimmten Krankheiten zu bringen.

But electricity also will go in all directions --

Aber Elektrizität breitet sich auch in jede Richtung aus --

the path of least resistance --

den Weg des geringsten Widerstandes.

which is where that phrase, in part, comes from,

woher diese Redewendung teilweise kommt.

and will also affect normal circuits,

Es wird die gesunden Schaltkreise genauso beeinflussen, wie die kranken, die Sie reparieren wollen.

as well as the abnormal ones you want to fix.

Also sind wir wieder bei der Idee

So again, we're sent back to the idea of ultraprecise control:

der hoch präzisen Kontrolle.

Could we dial in information precisely where we want it to go?

Können wir Informationen genau an die Stelle bringen, die wir wollen?

Als ich vor 11 Jahren mit Neurowissenschaften begonnen habe,

So, when I started in neuroscience 11 years ago --

I had trained as an electrical engineer and a physicist --

war ich ausgebildeter Elektrotechniker und Physiker,

the first thing I thought about was,

und das erste, worüber ich nachdachte war,

if these neurons are electrical devices,

wenn diese Neuronen elektrische Apparate sind,

all we need to do is to find some way of driving those electrical changes

dann müssen wir nur einen Weg finden

diese elektrischen Veränderung aus der Entfernung zu steuern.

at a distance.

Wenn wir den Strom in einer einzelnen Zelle anschalten könnten,

If we could turn on the electricity in one cell but not its neighbors,

nicht aber den ihrer Nachbarn,

that'd give us the tool to activate and shut down these different cells

das gäbe uns die Werkzeuge, die wir brauchen, um die einzelnen Zellen an- und auszuschalten,

herauszufinden was sie tun und wie sie

to figure out what they do

and how they contribute to the networks in which they're embedded.

zu dem Netzwerk beitragen zu dem sie gehören.

Außerdem würde es uns die hoch präzise Kontrolle erlauben, die wir brauchen

It would also allow us to have the ultraprecise control we need

um die Schaltkreisberechnungen zu reparieren

to fix the circuit computations that have gone awry.

die falsch laufen.

Now, how are we going to do that?

Nun, wie machen wir das?

Well, there are many molecules that exist in nature

Es gibt viele Moleküle in der Natur,

die fähig sind Licht in Strom umzuwandeln.

which are able to convert light into electricity.

Sie können sie sich wie kleine Proteine vorstellen,

You can think of them as little proteins that are like solar cells.

die wie Solarzellen sind.

If we install these molecules in neurons somehow,

Wenn wir diese Moleküle irgendwie in den Neuronen platzieren können

then these neurons would become electrically drivable with light,

dann würden die Neuronen durch Licht steuerbar.

and their neighbors, which don't have this molecule, would not.

Und ihre Nachbarn, die dieses Molekül nicht haben, wären es nicht.

There's one other magic trick you need to make this happen:

Es gibt einen weiteren Zaubertrick, den Sie brauchen um das Wirklichkeit werden zu lassen,

und das ist die Fähigkeit, Licht ins Gehirn zu bringen.

the ability to get light into the brain.

The brain doesn't feel pain.

Und um das zu tun -- das Gehirn empfindet keinen Schmerz -- können Sie --

Taking advantage of all the effort

den ganzen Aufwand,

that's gone into the internet, telecommunications, etc.,

der um Internet Kommunikation und so weiter betrieben wird ausnutzend --

you can put optical fibers connected to lasers

Glasfasern verbunden mit Lasern

to activate -- in animal models, for example, in preclinical studies --

die Sie nutzen können um Zellen zu aktivieren, in Tiermodellen zum Beispiel

in vorklinischen Studien,

these neurons and see what they do.

um zu sehen, was sie machen.

Wie machen wir das?

So how do we do this?

Around 2004, in collaboration with Georg Nagel and Karl Deisseroth,

Zirka 2004,

in Zusammenarbeit mit Gerhard Nagel und Karl Deisseroth,

this vision came to fruition.

wurde diese Vision Wirklichkeit.

There's a certain alga that swims in the wild,

Es gibt eine gewisse Alge, die in der Wildnis schwimmt,

and it needs to navigate towards light in order to photosynthesize optimally.

und Richtung Licht navigieren muss

um optimal Photosynthese betreiben zu können.

And it senses light with a little eyespot,

Sie nimmt Licht mit einem kleinen Augenfleck auf,

which works not unlike how our eye works.

der ähnlich wie unser Auge arbeitet.

In its membrane, or its boundary,

In ihrer Haut, oder ihrem Rand,

it contains little proteins

hat es kleine Proteine

die tatsächlich Licht in Strom umwandeln können.

that indeed can convert light into electricity.

Diese Moleküle werden Kanalrhodopsine genannt.

These molecules are called channelrhodopsins.

And each of these proteins acts just like that solar cell

Und jedes dieser Proteine verhält sich genau wie die Solarzelle, über die ich gesprochen habe.

that I told you about.

Wenn es von blauem Licht getroffen wird, öffnet es ein kleines Loch

When blue light hits it,

it opens a little hole and allows charged particles to enter the eyespot;

und lässt geladene Teilchen in den Augenfleck.

Das ermöglicht dem Augenfleck ein elektrisches Signal

that allows this eyespot to have an electrical signal,

genau wie eine Solarzelle eine Batterie aufladen würde.

just like a solar cell charging a battery.

So what we need to do is take these molecules

Was wir als machen müssen ist diese Moleküle nehmen

und sie irgendwie in die Neuronen installieren.

and somehow install them in neurons.

And because it's a protein,

Und weil es ein Protein ist

it's encoded for in the DNA of this organism.

ist es in der DNS des Organismus gespeichert.

So all we've got to do is take that DNA,

Also müssen wir nur die DNS nehmen,

put it into a gene therapy vector, like a virus,

sie in einen Gentherapie Vektor zu packen, wie einen Virus,

and put it into neurons.

und dann in die Neuronen bringen.

And this was a very productive time in gene therapy,

Es hat sich herausgestellt, dass das eine gute Zeit für Gentherapie war,

and lots of viruses were coming along,

und viele Viren zu Verfügung standen.

so this turned out to be fairly simple.

Es war sogar ziemlich leicht zu machen.

Early in the morning one day in the summer of 2004,

Und eines Morgens im Sommer 2004

we gave it a try, and it worked on the first try.

haben wir es versucht und es hat beim ersten Mal geklappt.

Man nimmt die DNS und packt sie in ein Neuron.

You take this DNA and put it into the neuron.

The neuron uses its natural protein-making machinery

Das Neuron benutzt seine natürliche Proteinproduktion

to fabricate these little light-sensitive proteins

um die kleinen lichtempfindlichen Proteine herzustellen

und sie dann über die gesamte Zelle zu verteilen

and install them all over the cell, like putting solar panels on a roof.

als würde man Solarzellen auf ein Dach packen.

And the next thing you know,

Und bevor Sie sich versehen,

you have a neuron which can be activated with light.

haben Sie Neuronen, die man mit Licht anschalten kann.

Das funktioniert also sehr gut.

So this is very powerful.

One of the tricks you have to do is figure out how to deliver these genes

Eines der Probleme, die man lösen muss

ist der Transport dieser Gene zu den Zellen, die man will

to the cells you want and not all the other neighbors.

und nicht zu all den Nachbarn.

Und man kann es machen; man kann den Virus so justieren,

And you can do that;

you can tweak the viruses so they hit some cells and not others.

dass er nur einige bestimmte Zellen trifft.

Es gibt einen anderen genetischen Trick, den man ausnutzen kann

And there's other genetic tricks you can play

um Zellen zu bekommen, die man mit Licht einschalten kann.

in order to get light-activated cells.

Dieses Feld ist heute als Optogenetik bekannt.

This field has now come to be known as "optogenetics."

And just as one example of the kind of thing you can do,

Ich gebe Ihnen ein weiteres Beispiel, was man damit machen kann.

Man kann ein komplexes Netzwerk nehmen,

you can take a complex network,

use one of these viruses to deliver the gene

eines der Viren nutzen um das Gen

zu genau einer Art Zelle in diesem dichten Netzwerk zu bringen.

just to one kind of cell in this dense network.

And then when you shine light on the entire network,

Wenn man das das gesamte Netzwerk mit Licht anstrahlt,

just that cell type will be activated.

dann wird nur dieser eine Zelltyp aktiviert.

For example, let's consider that basket cell I told you about earlier,

Nehmen wir zum Beispiel die Korbzellen, über die ich früher gesprochen habe --

die bei Schizophrenie verkümmert sind

the one that's atrophied in schizophrenia

und die hemmend wirken.

and the one that is inhibitory.

Wenn wir das Gen zu diesen Zellen bringen --

If we can deliver that gene to these cells --

und sie sich nicht durch die Ausprägung des Gens verändern --

they won't be altered by the expression of the gene, of course --

und dann blaues Licht auf das gesamte Gehirnnetzwerk leuchten,

then flash blue light over the entire brain network,

just these cells are going to be driven.

dann werden nur diese Zellen beeinflusst.

Und wenn das Licht ausgeschaltet ist, dann verhalten sie sich völlig normal.

And when the light turns off, these cells go back to normal;

sie scheinen dem also nicht abgeneigt zu sein.

there don't seem to be adverse events.

Not only can you study what these cells do,

Man kann damit nicht nur herausfinden, was diese Zellen tun,

what their power is in computing in the brain,

welche Leistung sie bei den Berechnungen des Gehirns bringen,

man kann außerdem versuchen herauszufinden --

you can also use this to try to figure out

vielleicht können die Aktivität dieser Zellen etwas aufmöbeln,

if we could jazz up the activity of these cells

falls sie tatsächlich verkümmert sind.

if indeed, they're atrophied.

I want to tell you some short stories about how we're using this

Nun möchte ich Ihnen ein paar kurze Geschichten darüber erzählen

wie wir das ausnutzen.

both at the scientific clinical and preclinical levels.

sowohl wissenschaftlich, klinisch als auch vorklinisch.

One of the questions that we've confronted is:

Einer der Fragen, an der wir arbeiten ist,

What signals in the brain mediate the sensation of reward?

welche Signale im Gehirn vermitteln das Gefühl von Belohnung?

Because if you could find those,

Wenn wir die finden würden,

those would be some of the signals that could drive learning;

die könnten einige der Signale sein, die das Lernen steuern.

Das Gehirn macht das häufiger, was belohnt wird.

the brain will do more of what got that reward.

Und außerdem sind diese Signale bei Krankheiten wie Sucht fehlerhaft.

These are also signals that go awry in disorders such as addiction.

Wenn wir also herausfinden, welche Zellen sie sind,

So if we could figure out what cells they are, we could maybe find new targets

könnten wir vielleicht neue Ziele finden

für die Medikamente entwickelt oder vor ihnen abgeschirmt werden,

for which drugs can be designed or screened against

oder vielleicht Orte, an denen man Elektroden anbringen könnte

or maybe places where electrodes could be put in

bei Menschen, die sehr ernste Behinderungen haben.

for people who have severe disability.

To do that, we came up with a very simple paradigm

Um das zu tun, haben wir ein sehr einfaches Musterbeispiel

zusammen mit der Fiorella Gruppe entwickelt,

in collaboration with the Fiorillo group,

Wenn das Tier auf einer Seite

where, if the animal goes to one side of this little box,

der Box geht, dann gibt es einen kleinen Lichtimpuls

it gets a pulse of light.

um verschiedene Zellen im Gehirn lichtempfindlich zu machen.

And we'll make different cells in the brain sensitive to light.

Falls diese Zellen Belohnungen vermitteln,

If these cells can mediate reward, the animal should go there more and more.

dann sollte das Tier immer häufiger dort hingehen.

Und das ist passiert.

And that's what happens.

The animal goes to the right-hand side and pokes his nose there

Das Tier geht auf die rechte Seite und stöbert mit seiner Nase herum,

und bekommt jedes mal einen blauen Lichtblitz, wenn es das tut.

and gets a flash of blue light every time he does it.

Das passiert hunderte male.

He'll do that hundreds of times.

Das sind die Dopamin-Neuronen,

These are the dopamine neurons,

von denen einige von Ihnen vielleicht gehört haben, in den Lustzentren des Gehirns.

in some of the pleasure centers in the brain.

Wir haben gezeigt, dass bereits eine kurze Aktivierung dieser Zellen

We've shown that a brief activation of these is enough to drive learning.

reicht, um das Lernen anzutreiben.

Die Idee kann verallgemeinert werden.

Now we can generalize the idea.

Anstatt nur einen Punkt zu aktivieren,

Instead of one point in the brain, we can devise devices that span the brain,

können wir Geräte entwickeln, die das ganze Gehirn umspannen

und das Licht in dreidimensionalen Mustern ausstrahlen kann --

that can deliver light into three-dimensional patterns --

Anordnungen optischer Fasern,

arrays of optical fibers,

jeweils angeschlossen an die eigene unabhängige Miniaturlichtquelle.

each coupled to its own independent miniature light source.

Und wir können Dinge am lebenden Organismus ausprobieren

Then we can try to do things in vivo

die bis jetzt nur in der Petrischale gemacht wurden --

that have only been done to date in a dish,

like high-throughput screening throughout the entire brain

wie Hochdurchsatz-Screening über das gesamte Gehirn

um Signale zu finden, die bestimme Dinge verursachen.

for the signals that can cause certain things to happen

Oder sie könnten gute klinische Ziele sein

or that could be good clinical targets for treating brain disorders.

um Hirnkrankheiten zu behandeln.

Eine andere Geschichte, die ich Ihnen erzählen möchte,

One story I want to tell you about is:

handelt von der Suche nach Zielen für die Behandlung von posttraumatischem Stress --

How can we find targets for treating post-traumatic stress disorder,

eine Form unkontrollierter Angst und Sorge.

a form of uncontrolled anxiety and fear?

Unter anderem

One of the things that we did was to adopt a very classical model of fear.

haben wir ein klassisches Angstmodell adaptiert,

This goes back to the Pavlovian days.

was bis in die Pavlovsche Zeit zurückgeht.

It's called Pavlovian fear conditioning, where a tone ends with a brief shock.

Es nennt sich Pavlovsche Angstkonditionierung --

hierbei endet ein Ton mit einem kurzem Schock.

The shock isn't painful, but it's a little annoying.

Der Schock tut nicht weh, er ist nur ein bisschen unangenehm.

Und nach einiger Zeit -- in diesem Fall eine Maus,

And over time -- in this case, a mouse,

die ein gutes und in solchen Experimenten häufig verwendetes Tiermodell ist --

which is a good animal model, commonly used in such experiments --

bekommt das Tier Angst vor dem Ton.

the animal learns to fear the tone.

Das Tier wird durch Starre reagieren,

It will react by freezing, sort of like a deer in the headlights.

ähnlich wie ein Reh im Autoscheinwerfer.

Now the question is: What targets in the brain can we find

Die Frage ist jetzt, welche Ziele wir im Gehirn finden können,

that allow us to overcome this fear?

die uns erlauben, die Angst zu überwinden.

Also spielen wir den Ton noch einmal

So we play that tone again, after it's been associated with fear.

nachdem er mit der Angst assoziiert wurde.

Aber wir aktivieren jedes mal verschiedene Ziele im Gehirn

But we activate different targets in the brain,

durch die optischen Fasern, die ich Ihnen auf früheren Folien gezeigt habe,

using that optical fiber array I showed on the previous slide,

um herauszufinden, welche Ziele

in order to try and figure out

which targets can cause the brain to overcome that memory of fear.

das Gehirn veranlassen können, die Erinnerung an die Angst zu überwinden.

Und dieses kurze Video

This brief video shows you one of these targets

zeigt Ihnen eines der Ziele an denen wir gerade arbeiten.

that we're working on now.

This is an area in the prefrontal cortex, a region where we can use cognition

Das ist ein Gebiet im präfrontalen Cortex,

eine Region, wo wir Wahrnehmung nutzen können, um die Aversion zu überwinden.

to try to overcome aversive emotional states.

Und das Tier hört einen Ton -- und ein Lichtblitz erscheint dort.

The animal hears a tone. A flash of light occurs.

Es gibt kein Audio dazu, aber Sie können sehen, dass das Tier erstarrt.

There's no audio, but you see that the animal freezes --

Dieser Ton hieß schlechte Neuigkeiten.

the tone used to mean bad news.

Dort ist eine kleine Uhr in der unteren linken Ecke,

There's a little clock in the lower left-hand corner.

man sieht, das Tier bleibt ungefähr 2 Minuten so.

You can see the animal is about two minutes into this.

Und nun das nächste Video,

This next clip is just eight minutes later.

nur 8 Minuten später.

And the same tone is going to play, and the light is going to flash again.

Der gleiche Ton wird gespielt, und das Licht wird wieder erscheinen.

Und es geht los. Jetzt.

OK, there it goes. Right ... now.

Nun kann man sehen, nach nur 10 Minuten im Experiment,

And now you can see, just 10 minutes into the experiment,

dass wir es dem Gehirn durch Lichtaktivierung dieses Gebietes ermöglicht haben

that we've equipped the brain, by photoactivating this area,

den Ausdruck von Angst

to overcome the expression of this fear memory.

aus seiner Erinnerung zu überwinden.

In den letzten paar Jahren sind wir zurück zum Baum des Lebens gegangen,

Over the last couple years, we've gone back to the tree of life,

weil wir Wege finden wollten, die Schaltkreise im Gehirn auszuschalten.

because we wanted to find ways to turn circuits in the brain off.

Wenn wir das könnten, wäre es extrem mächtig.

If we could do that, this could be extremely powerful.

If you can delete cells for a few milliseconds or seconds,

Wenn man Zellen nur für ein paar Millisekunden oder Sekunden löschen kann,

you can figure out what role they play in the circuits in which they're embedded.

kann man herausfinden, welche Rolle sie im Schaltkreis

spielen, in den sie eingebettet sind.

We surveyed organisms from all over the tree of life --

Heute haben wir Organismen vom gesamten Baum des Lebens analysiert --

jedes Reich außer das der Tiere, was wir etwas anders betrachten.

every kingdom of life but animals; we see slightly differently.

Wir haben jede Menge verschiedene Moleküle gefunden, Bakteriorhodopsine oder Archaerhodopsine,

We found molecules called halorhodopsins or archaerhodopsins,

die auf grünes und gelbes Licht reagieren.

that respond to green and yellow light.

And they do the opposite of the molecule I told you about before,

Und sie machen das Gegenteil von den Molekülen, von denen ich vorher erzählt habe,

mit dem Blaulicht-Aktivierer Kanalrhodopsin.

with the blue light activator, channelrhodopsin.

Let's give an example of where we think this is going to go.

Lassen Sie mich ein Beispiel bringen, wo wir glauben, dass es so funktionieren wird.

Consider, for example, a condition like epilepsy,

Stellen Sie sich zum Beispiel einen Zustand wie Epilepsie vor,

where the brain is overactive.

wo das Gehirn übererregbar ist.

Now, if drugs fail in epileptic treatment,

Falls Medikamente bei der Behandlung nicht anschlagen,

one of the strategies is to remove part of the brain,

ist die Entfernung von Teilen des Gehirns eine mögliche Strategie.

Das ist natürlich irreversible und es kann Nebenwirkungen haben.

but that's irreversible, and there could be side effects.

Was wäre, wenn wir stattdessen das Gehirn für einen kurzen Moment ausschalten könnten,

What if we could just turn off that brain for the brief amount of time

bis der Anfall vorbei ist,

until the seizure dies away,

and cause the brain to be restored to its initial state,

und das Gehirn dazu bringen, wieder in seinen Ausgangszustand zurückzukehren --

like a dynamical system that's being coaxed down into a stable state?

ungefähr wie ein dynamisches System, was in seinen Ausgangszustand versetzt wird.

Diese Animation versucht dieses Konzept zu erklären

This animation tries to explain this concept

where we made these cells sensitive to being turned off with light,

in dem wir diese Zellen abschaltbar durch Licht gemacht haben,

und dann Licht hineingestrahlt haben,

and we beam light in,

and just for the time it takes to shut down a seizure,

und dann hoffentlich die Zellen solange deaktiviert haben,

wie ein Anfall dauert.

we're hoping to be able to turn it off.

Wir haben dazu noch keine Daten,

We don't have data to show you on this front,

aber wir sind wirklich begeistert davon.

but we're very excited about this.

I want to close on one story, which we think is another possibility,

Ich möchte mit anderen Möglichkeit enden,

an die wir gedacht haben --

which is that maybe these molecules, if you can do ultraprecise control,

und zwar dass man diese Moleküle vielleicht, durch ultra-präzise Kontrolle,

im Gehirn selbst nutzen könnte

can be used in the brain itself to make a new kind of prosthetic,

um eine neue Art Prothese, eine optische Prothese herzustellen.

an optical prosthetic.

Ich habe bereits gesagt, dass elektrische Stimulatoren nicht selten sind.

I already told you that electrical stimulators are not uncommon.

75.000 Menschen haben Pakinson's Tiefenhirnstimulatoren implantiert.

Seventy-five thousand people

have Parkinson's deep-brain stimulators implanted,

Vielleicht 100.000 Menschen haben Cochleaimplantate,

maybe 100,000 people have cochlear implants, which allow them to hear.

die Ihnen das Hören ermöglichen.

Ein anderes Problem ist, die Gene in die entsprechenden Zellen zu bekommen.

Another thing -- you've got to get these genes into cells.

Hoffnung geben da neu entwickelte Gentherapien,

A new hope in gene therapy has been developed,

because viruses like the adeno-associated virus --

weil Viren wie das Adeno-assoziierte Virus,

den wahrscheinlich die meisten von uns hier in diesem Raum haben,

which probably most of us around this room have;

und der keinerlei Symptome zeigt,

it doesn't have any symptoms --

was dazu genutzt wurde, hunderten von Patienten

have been used in hundreds of patients

to deliver genes into the brain or the body.

Gene ins Gehirn oder den Körper zu bringen.

And so far, there have not been serious adverse events

So weit hat es noch keine ernsten unerwünschten Ereignisse

assoziiert mit dem Virus gegeben.

associated with the virus.

There's one last elephant in the room: the proteins themselves,

Es gibt noch einen letzten Elefanten im Raum, die Proteine selbst,

which come from algae, bacteria and funguses

die von Algen, Bakterien und Pilzen kommen,

and all over the tree of life.

und von überall im Baum des Lebens.

Most of us don't have funguses or algae in our brains,

Die meisten von uns haben keine Pilze oder Algen im Gehirn,

was wird unser Gehirn also tun, wenn wir dort welche hin tun?

so what will our brain do if we put that in?

Werden die Zellen es tolerieren? Wird das Immunsystem reagieren?

Will the cells tolerate it? Will the immune system react?

In diesem Frühstadium -- nichts davon wurde bis jetzt am Menschen getestet --

It's early -- these haven't been done in humans yet --

aber wir arbeiten an einer Vielzahl von Studien

but we're working on a variety of studies to examine this.

um das auszuprobieren und zu testen.

Bis jetzt gab es weder offene Reaktionen jeglicher Art

So far, we haven't seen overt reactions of any severity

gegen die Moleküle

to these molecules

or to the illumination of the brain with light.

oder gegen die Beleuchtung des Gehirns.

Um ehrlich zu sein, es ist wirklich ein Frühstadium, aber wir sind begeistert davon.

So it's early days, to be upfront, but we're excited about it.

Ich möchte mit einer Geschichte enden

I wanted to close with one story,

which we think could potentially be a clinical application.

von der wir glauben, es könnte vielleicht

klinische Anwendung finden.

Now, there are many forms of blindness

Es gibt viele Formen von Blindheit,

wo die Photorezeptoren,

where the photoreceptors -- light sensors in the back of our eye --

unsere Lichtsensoren, das Schwarze in unseren Augen, verloren sind.

are gone.

And the retina is a complex structure.

Und die Netzhaut ist natürlich eine komplexe Struktur.

Let's zoom in on it so we can see it in more detail.

Hier sieht man es sehr detailliert.

Die Photorezeptorzellen sind hier ganz oben,

The photoreceptor cells are shown here at the top.

The signals that are detected by the photoreceptors are transformed

und die Signale, die von diesen Zellen aufgenommen werden

werden durch verschiedenste Berechnungen umgeformt,

via various computations

bis schließlich die unterste Schicht Zellen, die Ganglien,

until finally, the layer of cells at the bottom, the ganglion cells,

die Informationen zum Gehirn weiterleiten,

relay the information to the brain,

wo wir das schließlich wahrnehmen.

where we see that as perception.

Bei vielen Formen von Blindheit, wie Retinitis pigmentosa,

In many forms of blindness, like retinitis pigmentosa

or macular degeneration,

oder der Makuladegeneration,

the photoreceptor cells have atrophied or been destroyed.

wo die Photorezeptoren verkümmert sind oder zerstört wurden.

Now, how could you repair this?

Wie kann man das reparieren?

It's not even clear that a drug could cause this to be restored,

Es ist nicht einmal sicher, ob ein Medikament das heilen könnte,

since there's nothing for the drug to bind to.

weil es nichts gibt, woran man das Medikament binden kann.

On the other hand, light can still get into the eye.

Andererseits gelangt Licht immer noch ins Auge.

Das Auge ist immer noch transparent und Licht gelangt hinein.

The eye is still transparent and you can get light in.

Was wäre also, wenn wir einfach diese Kanalrhodopsine und andere Moleküle nehmen könnten

So what if we could take these channelrhodopsins and other molecules

und sie auf einige der übrigen Zellen installieren könnten

and install them on some of these other spared cells

und sie dadurch in kleine Kameras verwandeln.

and convert them into little cameras?

Und weil es so viele dieser Zellen im Auge gibt,

And because there are so many of these cells in the eye,

könnte das, eventuell, eine sehr hoch-aufgelöste Kamera sein.

potentially, they could be very high-resolution cameras.

Das ist ein Ausschnitt von dem, was wir gerade machen.

This is some work that we're doing,

Es wird von einem unserer Mitarbeiter,

led by one of our collaborators, Alan Horsager at USC,

Alan Horsager von der USC geleitet

and being sought to be commercialized by a start-up company, Eos Neuroscience,

und was das Start-up Eos Neuroscience kommerzialisieren möchte,

finanziert vom NIH.

which is funded by the NIH.

What you see here is a mouse trying to solve a six-arm maze.

Was Sie hier sehen, ist eine Maus, die versucht, einem Labyrinth zu entkommen.

Das Labyrinth hat sechs Arme und es ist etwas Wasser darin,

There's a bit of water to motivate the mouse to move or he'll just sit there.

damit die Maus sich bewegt und nicht einfach still sitzen bleibt.

Das Ziel des Labyrinths ist natürlich

The goal of this maze is to get out of the water

das Wasser zu verlassen und zu der kleinen Plattform zu gelangen

and go to a little platform that's under the lit top port.

die unter dem oberen Öffnung liegt.

Die Maus ist schlau, sie wird das Labyrinth irgendwann lösen,

Mice are smart, so this one solves the maze eventually,

but he does a brute-force search.

aber sie macht eine Brute-Force-Suche.

He's swimming down every avenue until he finally gets to the platform.

Sie schwimmt jede Straße runter, bis sie schließlich die Plattform erreicht.

He's not using vision to do it.

Offenbar nutzt sie nicht ihre Sehkraft.

These different mice are different mutations

Diese unterschiedlichen Mäuse sind verschiedene Mutationen

und zeigen die verschiedenen Arten der Blindheit, die Menschen haben können.

that recapitulate different kinds of blindness that affect humans.

Wir versuchen also vorsichtig diese verschiedenen Modelle zu studieren

So we're being careful in trying to look at these different models

damit wir einen allgemeinen Ansatz finden.

so we come up with a generalized approach.

Wie können wir das tun?

So how can we solve this?

Wir machen genau das, was in der letzten Folie beschrieben wurde.

We'll do exactly what we outlined in the previous slide.

Wir nehmen diese Photosensoren für blaues Licht

We'll take these blue light photo sensors

und installieren sie auf einer Zellschicht

and install them onto a layer of cells

in der Mitte der Netzhaut auf dem hinteren Teil des Auges

in the middle of the retina in the back of the eye

and convert them into a camera --

und verwandeln es in eine Kamera.

just like installing solar cells all over those neurons

Als würde man Solarzellen auf den Neuronen verteilen

um sie lichtempfindlich zu machen.

to make them light-sensitive.

Light is converted to electricity on them.

Licht wird auf ihnen dann in Strom umgewandelt.

So this mouse was blind a couple weeks before this experiment

Diese Maus ein paar Wochen vor dem Experiment geblendet

and received one dose of this photosensitive molecule on a virus.

und erhielt eine Dosis der lichtempfindlichen Moleküle in einem Virus.

Nun kann man sehen, dass das Tier tatsächlich die Wände meidet

And now you can see, the animal can indeed avoid walls

und zu der kleinen Plattform geht

and go to this little platform

und seine Augen wieder nutzen kann.

and make cognitive use of its eyes again.

Um die Bedeutsamkeit hervorzuheben:

And to point out the power of this:

diese Tiere erreichen die Plattform

these animals can get to that platform

just as fast as animals that have seen their entire lives.

genauso schnell wie Tiere, die ihr ganzes Leben lang sehen konnten.

Ich denke, diese vorklinische Studie

So this preclinical study, I think, bodes hope

lässt auf die Dinge hoffen,

for the kinds of things we're hoping to do in the future.

die wir in Zukunft machen wollen.

Um zu schließen, möchte ich darauf hinweisen, dass wir auch

We're also exploring new business models for this new field of neurotechnology.

neue Geschäftsmodelle für dieses neue Feld der Neurotechnologie prüfen.

Wir entwickeln diese Werkzeuge,

We're developing tools and sharing them freely

aber wir teilen sie kostenlos mit hunderten von Gruppen aus der ganzen Welt,

with hundreds of groups all over the world

damit andere das studieren können und verschiedene Krankheiten behandeln können.

for them to study and try to treat different disorders.

Unsere Hoffnung ist, dass wir durch das Verstehen von Gehirnschaltkreisen

Our hope is that by figuring out brain circuits

auf einer abstrakten Stufe diese reparieren und manipulieren können,

at a level of abstraction that lets us repair them and engineer them,

und wir einige der hartnäckigen Krankheiten, von denen ich früher gesprochen habe,

we can take some of these intractable disorders I mentioned earlier,

von denen praktisch keine geheilt werden kann,

practically none of which are cured,

im 21. Jahrhundert Vergangenheit werden lassen können.

and in the 21st century, make them history.

Danke sehr.

Thank you.

(Applause)

(Applaus)

Juan Enriquez: So some of this stuff is a little dense.

Juan Enriquez: Das war mir jetzt ein bisschen viel.

(Laughter)

(Lachen)

Aber die Implikationen

But the implications of being able to control seizures or epilepsy

der Möglichkeit Anfälle oder Epilepsie

with light instead of drugs

durch Licht anstatt durch Medikamente zu behandeln

and being able to target those specifically

und die Möglichkeit, diese direkt anzusprechen

is a first step.

ist ein erster Schritt.

The second thing that I think I heard you say

Die zweite Sache, ich die Sie glaube ich gesagt haben,

is you can now control the brain in two colors,

ist, dass Sie inzwischen das Gehirn mit zwei Farben kontrollieren können,

wie ein An/Aus-Schalter.

like an on-off switch.

Ed Boyden: Das stimmt.

Ed Boyden: That's right.

JE: Was jeden einzelnen Impuls, der durch das Gehirn geht, zu einem binären Code macht.

JE: Which makes every impulse going through the brain a binary code.

EB: Richtig.

EB: Right.

With blue light, we can drive information, and it's in the form of a one.

Mit blauem Licht können wir Informationen lenken, es ist eine eins.

Und durch Ausschalten ist es mehr oder weniger eine null.

And by turning things off, it's more or less a zero.

Wir hoffen, dass wir letztendlich einen Gehirn-Koprozessor bauen können,

Our hope is to eventually build brain coprocessors that work with the brain

der mit dem Gehirn zusammenarbeitet,

so dass wir die Fähigkeiten von Leuten mit Behinderungen erweitern können.

so we can augment functions in people with disabilities.

JE: And in theory, that means that, as a mouse feels, smells, hears, touches,

JE: Und in der Theorie heißt dass,

dass während eine Maus fühlt, riecht,

hört und berührt,

you can model it out as a string of ones and zeros.

Sie das als eine Reihe von Nullen und Einsen auslesen können.

EB: Yeah. We're hoping to use this as a way of testing

Ja, klar. Wir hoffen, dass wir auf diese Art und Weise testen können,

welche neuralen Codes bestimmte Verhalten steuern

what neural codes can drive certain behaviors

und bestimmte Gedanken und bestimmte Gefühle,

and certain thoughts and certain feelings

und das nutzen können, um das Gehirn besser zu verstehen.

and use that to understand more about the brain.

JE: Does that mean that someday you could download memories

JE: Heißt das, dass man eines Tages Erinnerungen herunterladen

and maybe upload them?

und vielleicht sogar hochladen kann?

EB: That's something we're starting to work on very hard.

EB: Wir haben angefangen, daran zu arbeiten.

Im Moment arbeiten wir an etwas

We're now working on trying to tile the brain with recording elements, too,

wo wir versuchen, auch Aufnahmegeräte am Gehirn anzubringen.

so we can record information and then drive information back in --

Dadurch können wir Informationen aufnehmen und dann wieder Informationen hinein senden --

sort of computing what the brain needs

mehr oder weniger berechnen, was Gehirn braucht

in order to augment its information processing.

um seine Informationsverarbeitung zu verbessern.

JE: Well, that might change a couple things. Thank you.

JE: Nun, dass könnte einiges verändern. Vielen Dank. (EB: Danke sehr.)

EB: Thank you.

(Applaus)

(Applause)