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

Traductor: Sebastian Betti Revisor: Lidia Cámara de la Fuente

Hello, everybody.

Hola a todos.

I brought with me today a baby diaper.

Hoy traje un pañal de bebé.

You'll see why in a second.

Ya verán por qué en un segundo.

Baby diapers have interesting properties.

Los pañales tienen propiedades interesantes.

They can swell enormously when you add water to them,

Pueden hincharse enormemente al agregarles agua;

an experiment done by millions of kids every day.

millones de niños realizan este experimento cada día.

(Laughter)

(Risas)

But the reason why

Esto se debe a que

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

tienen un diseño muy inteligente.

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

Están hechos de un material hinchable.

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

Es un material especial que, al agregarle agua,

it will swell up enormously,

se hincha enormemente,

maybe a thousand times in volume.

quizá mil veces su volumen.

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

Es un polímero industrial muy útil.

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

En mi grupo del MIT tratamos

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

de averiguar si podemos hacer algo similar con el cerebro.

Can we make it bigger,

¿Podemos expandirlo

big enough that you can peer inside

lo suficiente como para ver dentro

and see all the tiny building blocks, the biomolecules,

los diminutos bloques de construcción, las biomoléculas,

how they're organized in three dimensions,

su organización tridimensional,

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

la estructura, la verdadera estructura del cerebro, por así decirlo?

If we could get that,

Si pudiéramos conseguirlo,

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

quizá podríamos entender cabalmente cómo se organiza el cerebro

to yield thoughts and emotions

para producir pensamientos, emociones,

and actions and sensations.

acciones y sensaciones.

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

Tal vez podríamos identificar los cambios exactos en el cerebro

that result in diseases,

que dan lugar a enfermedades,

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

enfermedades como el Alzheimer, la epilepsia y el Parkinson,

for which there are few treatments, much less cures,

para las que hay pocos tratamientos, y mucho menos curas,

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

y de las que, muy a menudo, desconocemos la causa o el origen

and what's really causing them to occur.

y lo que realmente las produce.

Now, our group at MIT

Nuestro grupo en el MIT

is trying to take a different point of view

trata de verlo desde un punto diferente

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

al que lo estudió la neurociencia en los últimos cien años.

We're designers. We're inventors.

Somos diseñadores. Somos inventores.

We're trying to figure out how to build technologies

Tratamos de averiguar cómo construir tecnologías

that let us look at and repair the brain.

que nos permitan analizar y reparar el cerebro.

And the reason is,

La razón es que

the brain is incredibly, incredibly complicated.

el cerebro es extremadamente complicado.

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

Durante el primer siglo de neurociencia hemos aprendido

is that the brain is a very complicated network,

que el cerebro es una red muy complicada,

made out of very specialized cells called neurons

formada por células muy especializadas llamadas neuronas

with very complex geometries,

con geometrías muy complejas,

and electrical currents will flow through these complexly shaped neurons.

y corrientes eléctricas que fluyen por estas neuronas en forma compleja.

Furthermore, neurons are connected in networks.

Además, las neuronas están conectadas en redes.

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

Están conectadas por pequeñas cruces, las sinapsis, que intercambian químicos

and allow the neurons to talk to each other.

que les permiten hablar unas con otras.

The density of the brain is incredible.

La densidad del cerebro es increíble.

In a cubic millimeter of your brain,

En un milímetro cúbico del cerebro

there are about 100,000 of these neurons

hay unas 100 000 neuronas

and maybe a billion of those connections.

y quizá mil millones de conexiones.

But it's worse.

Pero es peor.

So, if you could zoom in to a neuron,

Si pudiéramos ampliar una neurona

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

y, claro, esta es una interpretación artística,

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

podríamos ver miles y miles de tipos de biomoléculas,

little nanoscale machines organized in complex, 3D patterns,

pequeñas máquinas a escala nanométrica organizadas en patrones complejos, 3D,

and together they mediate those electrical pulses,

y juntas medirían esos pulsos eléctricos,

those chemical exchanges that allow neurons to work together

esos intercambios químicos que les permiten a las neuronas trabajar juntas

to generate things like thoughts and feelings and so forth.

para generar pensamientos, sentimientos, etcétera.

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

Pero no sabemos cómo se organizan las neuronas en el cerebro

to form networks,

para formar redes,

and we don't know how the biomolecules are organized

y no sabemos cómo se organizan las biomoléculas

within neurons

dentro de las neuronas

to form these complex, organized machines.

para formar estas máquinas organizadas y complejas.

If we really want to understand this,

Si realmente queremos entender esto,

we're going to need new technologies.

vamos a necesitar nuevas tecnologías.

But if we could get such maps,

Pero si pudiéramos conseguir estos mapas,

if we could look at the organization of molecules and neurons

si pudiéramos mirar la organización de las moléculas y las neuronas

and neurons and networks,

y las neuronas y las redes,

maybe we could really understand how the brain conducts information

quizá podríamos entender realmente cómo el cerebro lleva información

from sensory regions,

de las regiones sensoriales,

mixes it with emotion and feeling,

la mezcla con la emoción y el sentimiento,

and generates our decisions and actions.

y genera nuestras decisiones y acciones.

Quizá podríamos identificar el conjunto exacto de cambios moleculares que ocurren

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

in a brain disorder.

en un trastorno cerebral.

And once we know how those molecules have changed,

Y una vez que supiéramos cómo han cambiado estas moléculas,

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

si han aumentado su número o cambiado de patrón,

we could use those as targets for new drugs,

podríamos usar eso como objetivo para nuevos fármacos,

for new ways of delivering energy into the brain

para nuevas formas de entregar energía al cerebro,

in order to repair the brain computations that are afflicted

para reparar los cálculos cerebrales afectados

in patients who suffer from brain disorders.

en pacientes que sufren de trastornos cerebrales.

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

Hemos visto muchas tecnologías diferentes en el último siglo

para tratar de resolver esto.

to try to confront this.

I think we've all seen brain scans

Creo que todos hemos visto imágenes del cerebro

taken using MRI machines.

tomadas con máquinas de resonancia magnética.

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

Por supuesto, tienen el gran poder de no ser invasivas,

they can be used on living human subjects.

se pueden usar en humanos vivos.

But also, they're spatially crude.

Pero también son espacialmente burdas.

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

Cada una de esas burbujas que ven, o voxels, como se les llama,

can contain millions and millions of neurons.

puede contener millones y millones de neuronas.

So it's not at the level of resolution

Así que no tienen el nivel de resolución

where it can pinpoint the molecular changes that occur

para determinar con precisión los cambios moleculares que ocurren,

or the changes in the wiring of these networks

o los cambios en el cableado de estas redes

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

que nos dan la capacidad de ser seres conscientes poderosos.

At the other extreme, you have microscopes.

En el otro extremo, tenemos los microscopios.

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

Los microscopios, claro, usan la luz para mirar cosas diminutas.

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

Durante siglos, se han usado para mirar cosas como bacterias.

For neuroscience,

En neurociencia,

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

fue el instrumento que permitió descubrir las neuronas en primer lugar,

about 130 years ago.

hace unos 130 años.

But light is fundamentally limited.

Pero la luz tiene serias limitaciones.

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

No se puede ver moléculas individuales con un antiguo microscopio típico.

No se puede ver esas pequeñas conexiones.

You can't look at these tiny connections.

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

Por eso si queremos ver mejor el cerebro,

to get down to the ground truth structure,

para adentrarnos en su estructura primordial

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

vamos a necesitar tener incluso mejores tecnologías.

My group, a couple years ago, started thinking:

Mi grupo, hace un par de años, empezó a pensar:

Why don't we do the opposite?

¿Por qué no hacemos lo contrario?

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

Si es tan complicado ampliar la vista del cerebro,

why can't we make the brain bigger?

¿por qué no ampliar el cerebro?

En un principio comenzamos

It initially started

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

con dos estudiantes graduados de mi grupo, Fei Chen y Paul Tillberg.

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

Ahora muchos otros de mi grupo están ayudando en este proceso.

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

Decidimos averiguar si podíamos tomar polímeros,

like the stuff in the baby diaper,

como los del pañal del bebé,

and install it physically within the brain.

e instalarlos físicamente dentro del cerebro.

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

Si pudiéramos hacerlo adecuadamente, y agregáramos agua,

you can potentially blow the brain up

potencialmente podríamos expandir el cerebro

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

y se podría distinguir esas pequeñas biomoléculas unas de otras.

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

Se podría ver esas conexiones y obtener mapas del cerebro.

This could potentially be quite dramatic.

Esto podría ser muy drástico.

We brought a little demo here.

Trajimos una pequeña demo.

We got some purified baby diaper material.

Conseguimos material purificado del pañal del bebé.

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

Es mucho más fácil comprarlo por Internet

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

que extraer los pocos granos que realmente tienen estos pañales.

I'm going to put just one teaspoon here

Aquí pondré solo una cucharadita

of this purified polymer.

de este polímero purificado.

And here we have some water.

Y aquí tenemos un poco de agua.

What we're going to do

Vamos a ver

is see if this teaspoon of the baby diaper material

si esta cucharadita de material del pañal de bebé

can increase in size.

puede aumentar de tamaño.

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

Van a ver que aumenta de volumen en alrededor de mil veces

before your very eyes.

ante sus propios ojos.

I could pour much more of this in there,

Podría verter mucho más de esto allí,

but I think you've got the idea

pero yo creo que tienen la idea

that this is a very, very interesting molecule,

de que esta es una molécula muy, muy interesante,

and if can use it in the right way,

y que usada de manera correcta,

we might be able to really zoom in on the brain

nos permite hacer zoom en el cerebro

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

como no era posible hacer con las tecnologías anteriores.

OK. So a little bit of chemistry now.

Bueno, ahora un poco de química.

What's going on in the baby diaper polymer?

¿Qué está ocurriendo en el polímero del pañal?

If you could zoom in,

Si se pudiera hacer zoom,

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

se podría ver algo como lo que se ve en la pantalla.

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

Los polímeros son cadenas de átomos dispuestas en líneas largas y delgadas.

The chains are very tiny,

Las cadenas son muy pequeñas,

about the width of a biomolecule,

del ancho de una biomolécula,

and these polymers are really dense.

y estos polímeros son muy densos.

They're separated by distances

Están separados por distancias

that are around the size of a biomolecule.

del tamaño de una biomolécula.

This is very good

Esto es muy bueno

because we could potentially move everything apart in the brain.

porque podríamos potencialmente mover todo en el cerebro.

If we add water, what will happen is,

Si añadimos agua, sucederá que

this swellable material is going to absorb the water,

este material hinchable absorberá el agua,

the polymer chains will move apart from each other,

las cadenas de polímero se separarán unas de otras,

and the entire material is going to become bigger.

y todo el material se expandirá.

And because these chains are so tiny

Y como estas cadenas son tan pequeñas

and spaced by biomolecular distances,

y están separadas por distancias biomoleculares,

we could potentially blow up the brain

potencialmente podríamos inflar el cerebro

and make it big enough to see.

y expandirlo hasta que sea visible.

Entonces, ese es el misterio:

Here's the mystery, then:

How do we actually make these polymer chains inside the brain

¿Cómo construir estas cadenas de polímero dentro del cerebro

so we can move all the biomolecules apart?

para separar las biomoléculas?

If we could do that,

Si pudiéramos hacerlo,

maybe we could get ground truth maps of the brain.

quizá podríamos llegar a cartografiar de verdad el cerebro.

We could look at the wiring.

Podríamos analizar el cableado.

We can peer inside and see the molecules within.

Podemos mirar dentro y ver las moléculas que hay.

To explain this, we made some animations

Para explicar esto, hicimos algunas animaciones

where we actually look at, in these artist renderings,

donde realmente se ven, en estas representaciones artísticas,

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

qué aspecto tendrían las biomoléculas y cómo podríamos separarlas.

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

Paso uno: en primer lugar tendríamos

is attach every biomolecule, shown in brown here,

que anexar cada biomolécula, aquí aparecen en marrón,

to a little anchor, a little handle.

a una pequeña ancla, un pequeño mango.

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

Tenemos que separar las moléculas del cerebro unas de otras,

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

y para hacerlo, necesitamos tener un pequeño mango

that allows those polymers to bind to them

que le permita a esos polímeros adherirse a ellos,

and to exert their force.

y ejercer su fuerza.

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

Pero si ponemos el polímero del pañal de bebé en el cerebro,

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

obviamente, se ubicará en la parte superior.

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

Tenemos que encontrar cómo ubicar el polímero dentro.

Y aquí es donde tenemos mucha suerte.

And this is where we're really lucky.

It turns out, you can get the building blocks,

Resulta que uno puede obtener los bloques de construcción,

monomers, as they're called,

monómeros, como se les llama,

and if you let them go into the brain

y si se les deja entrar en el cerebro

and then trigger the chemical reactions,

y luego desencadenar las reacciones químicas,

you can get them to form those long chains,

se puede llegar a formar esas largas cadenas,

right there inside the brain tissue.

allí en el interior del tejido cerebral.

They're going to wind their way around biomolecules

Se abrirán camino alrededor de las biomoléculas

and between biomolecules,

y entre las biomoléculas,

forming those complex webs

formando esas redes complejas

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

que permitirán, con el tiempo, separar las moléculas

from each other.

unas de otras.

And every time one of those little handles is around,

Y cada vez que uno de esos pequeños mangos esté alrededor,

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

el polímero se adherirá al mango, y eso es exactamente lo que necesitamos

in order to pull the molecules apart from each other.

para tirar de las moléculas y separarlas unas de otras.

All right, the moment of truth.

Muy bien, el momento de la verdad.

We have to treat this specimen

Tenemos que tratar a este espécimen

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

con un químico para aflojar las moléculas entre sí,

and then, when we add water,

y luego, al añadir agua,

that swellable material is going to start absorbing the water,

el material hinchable empezará a absorber el agua,

the polymer chains will move apart,

las cadenas de polímero se separarán,

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

pero ahora, las biomoléculas darán el paseo.

And much like drawing a picture on a balloon,

Y como cuando dibujamos una imagen en un globo,

and then you blow up the balloon,

y luego inflamos el globo,

the image is the same,

la imagen es la misma,

but the ink particles have moved away from each other.

pero las partículas de tinta se separaron unas de otras.

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

Eso es lo que hicimos ahora, pero en tres dimensiones.

There's one last trick.

Hay un último truco.

As you can see here,

Como pueden ver,

we've color-coded all the biomolecules brown.

hemos coloreado las biomoléculas en marrón.

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

Esto se debe a que todas se ven igual.

Biomolecules are made out of the same atoms,

Las biomoléculas están formadas por los mismos átomos,

but just in different orders.

pero en distinto orden.

So we need one last thing

Necesitamos una última cosa

in order to make them visible.

para hacerlas visibles.

We have to bring in little tags,

Pequeñas etiquetas,

with glowing dyes that will distinguish them.

con tintes brillantes para distinguirlas.

So one kind of biomolecule might get a blue color.

Así, un tipo de biomolécula podría tener un color azul.

Another kind of biomolecule might get a red color.

Otro tipo de biomolécula podría tener un color rojo.

And so forth.

Etcétera.

And that's the final step.

Y ese es el paso final.

Now we can look at something like a brain

Ahora podemos analizar un cerebro

and look at the individual molecules,

y mirar moléculas individuales,

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

porque las hemos separado lo suficiente

that we can tell them apart.

y podemos distinguirlas.

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

Esperamos poder hacer visible lo invisible.

We can turn things that might seem small and obscure

Podemos cambiar las cosas que podrían parecer pequeñas y oscuras

and blow them up

e inflarlas

until they're like constellations of information about life.

hasta que sean constelaciones de información sobre la vida.

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

Este es un video real del aspecto que podría tener.

We have here a little brain in a dish --

Aquí tenemos un pequeño cerebro en una placa...

a little piece of a brain, actually.

un pequeño trozo de cerebro, en realidad.

We've infused the polymer in,

Hemos colocado el polímero,

and now we're adding water.

y ahora hemos añadido agua.

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

Verán, justo ante sus ojos,

this video is sped up about sixtyfold --

este video está acelerado unas 60 veces,

this little piece of brain tissue is going to grow.

este pequeño trozo de tejido cerebral va a crecer.

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

Se puede aumentar cien veces o incluso más en volumen.

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

Y lo interesante es que, dado que los polímeros son tan pequeños,

we're separating biomolecules evenly from each other.

estamos separando biomoléculas uniformemente unas de otras.

It's a smooth expansion.

Es una expansión suave.

We're not losing the configuration of the information.

No estamos perdiendo la configuración de la información.

We're just making it easier to see.

Lo estamos haciendo fácil de ver.

Así que ahora podemos tomar circuitos del cerebro real

So now we can take actual brain circuitry --

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

-- un trozo de cerebro involucrado, por ejemplo, con la memoria --

and we can zoom in.

y podemos hacer zoom.

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

Podemos empezar a mirar realmente cómo se configuran los circuitos.

Maybe someday we could read out a memory.

Tal vez algún día podríamos leer un recuerdo.

Maybe we could actually look at how circuits are configured

Quizá podríamos realmente ver la forma de configurar circuitos

to process emotions,

how the actual wiring of our brain is organized

para procesar emociones,

cómo está organizado el cableado actual del cerebro

in order to make us who we are.

para hacer de nosotros quienes somos.

And of course, we can pinpoint, hopefully,

Y, por supuesto, podemos señalar, con suerte,

the actual problems in the brain at a molecular level.

los problemas reales del cerebro a nivel molecular.

What if we could actually look into cells in the brain

¿Y si en realidad pudiéramos mirar dentro de las células del cerebro

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

y averiguar, guau, aquí están las 17 moléculas alteradas

in this brain tissue that has been undergoing epilepsy

en este tejido cerebral que tuvo epilepsia

or changing in Parkinson's disease

o el cambio en la enfermedad de Parkinson

or otherwise being altered?

u otra alteración?

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

Si conseguimos la lista sistemática de las cosas que van mal,

those become our therapeutic targets.

esos se convertirán en objetivos terapéuticos.

We can build drugs that bind those.

Podemos construir fármacos que se adhieran.

We can maybe aim energy at different parts of the brain

Quizá podemos apuntar la energía a diferentes partes del cerebro

in order to help people with Parkinson's or epilepsy

para ayudar a las personas con Parkinson o epilepsia

or other conditions that affect over a billion people

u otras enfermedades que afectan a más de mil millones de personas

around the world.

alrededor del mundo.

Now, something interesting has been happening.

Ahora, ha estado ocurriendo algo interesante.

It turns out that throughout biomedicine,

Resulta que en biomedicina,

there are other problems that expansion might help with.

la expansión podría ayudar en otros problemas.

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

Esta es la biopsia real de una paciente de cáncer de mama.

It turns out that if you look at cancers,

Resulta que si analizamos los cánceres,

if you look at the immune system,

si analizamos el sistema inmunológico,

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

si estudiamos el envejecimiento, si estudiamos el desarrollo,

all these processes are involving large-scale biological systems.

estos procesos involucran sistemas biológicos a gran escala.

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

Por supuesto, los problemas comienzan con esas pequeñas moléculas a nanoescala,

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

las máquinas que componen las células y los órganos del cuerpo palpitan.

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

Ahora tratamos de averiguar

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

si podemos usar esta tecnología para mapear los componentes básicos de la vida

in a wide variety of diseases.

en una amplia variedad de enfermedades.

Can we actually pinpoint the molecular changes in a tumor

¿Podemos establecer claramente los cambios moleculares en un tumor,

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

ir tras él de manera inteligente,

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

y suministrar fármacos que podrían acabar exactamente con las células que queremos?

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

Ya saben, gran parte de la medicina es de muy alto riesgo.

Sometimes, it's even guesswork.

A veces, son incluso conjeturas.

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

Espero poder transformar lo que podría ser un gran sueño de alto riesgo

into something that's more reliable.

en algo más fiable.

If you think about the original moon shot,

Si piensan en el sueño lunar original,

where they actually landed on the moon,

el que nos llevó a la luna,

it was based on solid science.

se basó en ciencia dura.

We understood gravity;

Entendíamos la gravedad;

we understood aerodynamics.

entendíamos la aerodinámica.

We knew how to build rockets.

Sabíamos construir cohetes.

The science risk was under control.

El riesgo de la ciencia estaba bajo control.

It was still a great, great feat of engineering.

Todavía era una gran, gran obra de ingeniería.

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

Pero en medicina, no necesariamente tenemos todas las leyes.

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

¿Tenemos todas las leyes análogas a la gravedad,

that are analogous to aerodynamics?

análogas a la aerodinámica?

I would argue that with technologies

Yo diría que con las tecnologías

like the kinds I'm talking about today,

de las que estoy hablando hoy,

maybe we can actually derive those.

quizá podemos derivarlas.

We can map the patterns that occur in living systems,

Podemos trazar los patrones que ocurren en los sistemas vivos,

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

y encontrar la manera de superar las enfermedades que nos aquejan.

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

Ya saben, con mi esposa tenemos dos hijos pequeños,

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

y una de mis esperanzas como bioingeniero es hacer la vida mejor para ellos

than it currently is for us.

de lo que actualmente es para nosotros.

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

Espero que podamos convertir la biología y la medicina

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

de estos esfuerzos de alto riesgo que se rigen por el azar y la suerte,

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

en algo que ganemos con capacidad y trabajo arduo;

then that would be a great advance.

eso sería un gran avance.

Thank you very much.

Muchas gracias.

(Applause)

(Aplausos)