Ed Boyden: A light switch for neurons

اد بویدن: یک سوییچ برای روشن و خاموش کردن سلولهای عصبی

Translator: Milad Mirmoghtadaei Reviewer: Sepideh Sekehchi

یک لحظه به روز خودتون فکر کنید.

Think about your day for a second.

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

از خواب بلند شدید، هوای تازه را وقتی از در خارج شدید روی صورتتان احساس کردید،

encountered new colleagues and had great discussions

همکاران جدید خود را ملاقات کردید و با هم بحثهای جالبی داشتید،

و با یافتن چیزهای جدید حیرت زده شدید.

and felt in awe when you found something new.

- ولی مطمئنم که چیزی هست که امروز به آن فکر نکردید -

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

چیزی آنقدر آشنا و نزدیک

something so close to home,

که احتمالا، زیاد به آن فکر نمی‌کنید.

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

و آن اینه که همۀ احساسات، عواطف،

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

تصمیمها و کارها

توسط کامپیوتری که در سر شما

are mediated by the computer in your head

بنام مغز وجود دارد انجام میشه.

called your brain.

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

مغر ممکنه با نگاه از بیرون خیلی پیچیده نرسه

حدود یک کیلو جسم صورتی-خاکستری،

a couple pounds of pinkish-gray flesh,

-بی شکل-

amorphous.

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

ولی پیشرفت علم اعصاب در صد سال اخیر

به ما اجازه داده تا با دقت بیشتری،

and to see the intricacy of what lies within.

با پیچیدگی درون مغز آشنا بشویم.

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

و به ما گفته شده که مغز

یک مدار بسیار پیچیده است

made out of hundreds of billions of cells called neurons.

که از صدها میلیارد سلول بنام نورون تشکیل شده.

Now, unlike a human-designed computer,

بر خلاف کامپیوتر ساخت دست بشر،

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

- که از اجزای مختلف نسبتا کمی درست شده -

و ما می‌دانیم چطور کار می‌کنند، چون خود ما آن را طراحی کرده‌ایم،

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

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

مغز از هزاران نوع متفاوت از سلول تشکیل شده،

و شاید دهها هزار.

maybe tens of thousands.

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

اشکال مختلفی از آنها وجود دارند، از مولکولهای مختلفی درست شده‌اند؛

آنها بیرون زده، منشعب می‌شوند و به ناحیه های مختلف مغز متصل می‌شوند.

they project and connect to different brain regions.

و همچنین در بیماریهای گوناگون به اشکال مختلفی تغییر شکل می‌دهند.

They also change in different ways in different disease states.

این طور تجسم کنیم.

Let's make it concrete.

There's a class of cells,

گونه‌ای از سلولها هستند،

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

سلولهای کوچک مهار کننده، که فعالیت سلولهای مجاور خود را مهار می‌کنند.

به نظر می‌رسه این همان نوع از سلولهایی هستند که در بیماریهایی مانند اسکیزوفرنی تحلیل می‌روند.

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

in disorders like schizophrenia.

It's called the basket cell.

به آنها سلولهای سبدی گفته میشه.

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

و این سلول تنها یکی از هزاران نوع سلوله

که ما داریم در مورد آنها یاد می‌گیریم.

that we're learning about.

New ones are being discovered every day.

و هر روزه انواع جدیدی از آنها کشف می‌شوند.

فقط به عنوان یک مثال دیگه:

As just a second example:

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

این سلولهای بزرگ هرمی شکل

قسمت بزرگی از مغز را در بر می‌گیرند.

of the brain.

این سلولها تحریک کننده هستند.

They're excitatory.

و این سلولهایی هستند که

And these are some of the cells that might be overactive

بیش فعالی آنها ممکنه باعث بیماریهایی از قبیل صرع شوند.

in disorders such as epilepsy.

هر کدام از این سلولها

Every one of these cells is an incredible electrical device.

مثل یک دستگاه الکتریکی باورنکردنی هستند

They receive inputs from thousands of upstream partners

آنها از هزاران سلول قبل از خود ورودی دریافت می‌کنند

و خروجی الکتریکی خود را پردازش می‌کنند،

and compute their own electrical outputs,

which then, if they pass a certain threshold,

که به همین ترتیب، اگر داده‌های الکتریکی آن از آستانۀ خاصی بگذرند،

به هزاران سلول بعد از خود ارسال می‌کنند.

will go to thousands of downstream partners.

و این عملیات که تنها حدود یک میلی ثانیه طول می‌کشه،

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

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

هزاران مرتبه در هر دقیقه

در همۀ 100 میلیارد سلول شما

as long as you live and think and feel.

تا وقتی زنده هستید

و فکر و احساس می‌کنید، اتفاق می‌افتد.

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

خوب حالا چطور بفهمیم که این مدار چطور کار می‌کنه؟

بطور مطلوب ما می‌تونیم به سراغ این مدار بریم

Ideally, we could go through this circuit

و انواع مختلف سلولها را خاموش و روشن کنیم

and turn these different kinds of cell on and off

and see whether we could figure out

و ببینیم آیا می‌توان فهمید

which ones contribute to certain functions

هر کدام از آنها چکار می‌کنند

and which ones go wrong in certain pathologies.

و اینکه در هر بیماری کدام یک از آنها درست کار نمی‌کنند.

اگر ما می‌تونستیم سلولها را فعال کنیم، می‌تونستیم ببینیم هر کدام از آنها چه قدرتی دارند،

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

چه عملی را می‌تونند شروع کنند و ادامه بدهند.

what they can initiate and sustain.

اگر می‌تونستیم آنها را خاموش و غیرفعال کنیم،

If we could turn them off,

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

می‌تونستیم بفهمیم که آنها برای چه کاری مورد نیاز هستند.

و این داستانیه که امروز می‌خواهم براتون تعریف کنم.

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

و اگر صادقانه بررسی کنیم، پیشرفتهایی که ما در 11 سال گذشته داشته‌ایم،

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

برای این بوده که راهی پیدا کنیم

through an attempt to find ways

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

تا مدارها و سلولها و بخشها و مسیرهای مختلف مغز را

خاموش و روشن کنیم،

on and off,

هم برای درک بهتر این علم،

both to understand the science

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

و هم برای مقابله با برخی از مسائلی

که ما انسانها با آن مواجه هستیم.

Now, before I tell you about the technology,

حالا قبل از اینکه در مورد این تکنولوژی صحبت کنم،

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

خبر بد اینه که قسمت بزرگی از ما در این اتاق

اگر به اندازه کافی عمر کنیم،

if we live long enough,

will encounter, perhaps, a brain disorder.

احتمالا دچار یک عارضۀ مغزی خواهیم شد.

همین حالا، یک میلیارد نفر

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

به نوعی بیماری مغزی دچار بوده اند

که آنها را ناتوان ساخته.

that incapacitates them.

The numbers don't do it justice, though.

و فقط حرف زدن از اعداد و رقم کافی نیست.

These disorders -- schizophrenia, Alzheimer's,

این بیماریها مثل - اسکیزوفرنی، آلزایمر -

- افسردگی، اعتیاد -

depression, addiction --

they not only steal away our time to live,

نه تنها زمان زندگی را از ما می‌ربایند، بلکه هویت ما را نیز تغییر می‌دهند؛

they change who we are.

They take our identity and change our emotions

- آنها هویت ما را تسخیر می‌کنند و احساسات ما را تغییر می‌دهند -

and change who we are as people.

و شخصی که هستیم را متحول می‌کنند.

Now, in the 20th century,

اکنون در قرن بیستم،

امیدی از طریق تولید داروهایی

there was some hope that was generated

through the development of pharmaceuticals for treating brain disorders.

برای درمان بیماریهای مغزی بوجود آمد.

و با اینکه داروهای زیادی تولید شده‌اند

And while many drugs have been developed

that can alleviate symptoms of brain disorders,

که می‌توانند علائم بیماریهای مغزی را آرامتر کنند،

عملا هیچ کدام از آنها را نمی‌توان درمان تصور کرد.

practically none of them can be considered to be cured.

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

و قسمتی از آن به این دلیله که ما با این کار همۀ مغز را در مادۀ شیمیایی شستشو می‌دهیم.

we're bathing the brain in a chemical --

این مدار دقیق و پیچیده

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

متشکل از هزاران نوع سلول

در یک مادۀ شیمیایی شستشو داده می‌شود.

is being bathed in a substance.

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

و همچنین احتمالا به این خاطره که بیشتر داروها، و نه همه آنهایی که در بازار هستند

می‌تونند باعث انواع عوارض جانبی بشوند.

can present some kind of serious side effect too.

امروزه برخی از مردم با استفاده از

Now some people have gotten some solace from electrical stimulators

محرکهای الکتریکی که در مغز کاشته می‌شوند تا حدی تسکین پیدا کرده اند.

that are implanted in the brain,

for Parkinson's disease or cochlear implants.

و همچنین برای بیمارهای پارکینسونی،

کاشت مجرای حلزونی گوش همین کار را کرده.

These have indeed been able to bring some kind of remedy

اینها بالواقع توانسته اند

تا علاجی برای

to people with certain kinds of disorders.

مردم با انواع خاصی از بیماری باشند.

But electricity also will go in all directions --

ولی حتی الکتریسیته هم در همه جهات حرکت می‌کند

the path of least resistance --

در مسیری با مقاومت کمتر،

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

که این عبارت هم از آن گرفته شده.

and will also affect normal circuits,

و این همچنین هم روی مدارهای سالم تاثیر می‌گذاره و هم روی آنهایی که می‌خواهیم ترمیم شوند.

as well as the abnormal ones you want to fix.

پس دوباره برمی‌گردیم به همان نظریه

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

کنترل فوق دقیق.

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

آیا ما می‌توانیم اطلاعات را دقیقا به همانجا که می‌خواهیم بفرستیم؟

وقتی 11 سال پیش در رشتۀ علم اعصاب شروع بکار کردم،

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

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

به عنوان یک مهندس برق و فیزیکدان تعلیم دیده بودم،

the first thing I thought about was,

و اولین چیزی که به فکرش افتادم این بود،

if these neurons are electrical devices,

که اگر سلولهای عصبی مانند وسایل برقی کار می‌کنند،

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

تنها کاری که باید بکنیم اینه که یک راهی پیدا کنیم

که بتونیم آن تغییرات الکتریکی را از دور کنترل کنیم.

at a distance.

اگر ما می‌تونستیم الکتریسیته را در یک سلول،

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

و نه در سلولهای مجاور آن فعال کنیم،

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

این ابزار را به ما می‌داد تا بتونیم این سلولهای مختلف را فعال و یا غیر فعال کنیم،

و بفهمیم هر کدام از آنها چکار می‌کنند و اینکه چه سهمی

to figure out what they do

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

در شبکه مختص بخود دارند.

و همچنین به ما اجازه می‌ده تا آن کنترل فوق دقیق که برای

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

ترمیم محاسبات مداری نامتعادل مورد نیاز است را داشته باشیم.

to fix the circuit computations that have gone awry.

ترمیم محاسبات مداری نامتعادل مورد نیاز است را داشته باشیم.

Now, how are we going to do that?

خوب حالا چطور می‌خواهیم این کار را انجام بدهیم؟

Well, there are many molecules that exist in nature

خوب، خیلی مولکولها در طبیعت وجود دارند،

که می‌تونند نور را به الکتریسیته تبدیل کنند.

which are able to convert light into electricity.

شما می‌تونید پروتئینهای کوچکی را در نظر بگیرید

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

که مثل سلولهای خورشیدی کار می‌کنند.

If we install these molecules in neurons somehow,

اگر ما به طریقی بتونیم این مولکولها را در نورونها نصب کنیم،

then these neurons would become electrically drivable with light,

آنگاه این نورونها می‌تونند بوسیله نور، از خود الکتریسیته ساطع کنند.

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

ولی سلولهای مجاور آنها که فاقد این مولکول هستند، نه.

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

البته یک فوت وفن دیگر هم مورد نیازه تا این کار عملی بشه،

و آن اینه که بتونیم نور را وارد مغز کنیم.

the ability to get light into the brain.

The brain doesn't feel pain.

و برای این کار - مغز درد را احساس نمی‌کند - پس ما می‌تونیم

Taking advantage of all the effort

با بهره گیری از همۀ تلاشهایی که

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

- در مقوله اینترنت و ارتباطات و غیره وجود داره -

you can put optical fibers connected to lasers

فیبرهای نوری متصل به لیزر را در آن قرار بدهیم

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

و از آنها، برای مثال در مدلهای حیوانی،

در تحقیقات پیش بالینی، برای فعال کردن

these neurons and see what they do.

این نورونها استفاده کنیم و ببینیم هر یک از آنها چکار می‌کنند.

خوب حالا ما چطور این کار را انجام می‌دهیم؟

So how do we do this?

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

حدود سال 2004،

با همکاری [جرارد نیجل] و [کارل دیزراث]،

this vision came to fruition.

این خیال بارور شد.

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

یک گونه خاص از جلبک وجود دارد که در طبیعت شنا می‌کند،

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

و برای فتوسنتز بهینه باید

راهش را به سمت نور پیدا کنه.

And it senses light with a little eyespot,

و این جلبک نور را بوسیله یک لکۀ چشمی کوچک حس می‌کنه،

which works not unlike how our eye works.

که تا حدودی مثل چشم ما عمل میکنه.

In its membrane, or its boundary,

در غشا یا پوسته آن،

it contains little proteins

یک پروتئین کوچک وجود داره

که همان کار تبدیل نور به الکتریسیته را انجام می‌ده.

that indeed can convert light into electricity.

اسم این مولکولها [رودواسپین کانالی] است.

These molecules are called channelrhodopsins.

And each of these proteins acts just like that solar cell

و هر کدام از این پروتئینها درست مثل سلولهای خورشیدی که قبلا در موردش صحبت کردم عمل می‌کنند.

that I told you about.

هنگامی که نور آبی به آن می‌رسه، آن یک حفره کوچک را باز می‌کنه

When blue light hits it,

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

و به ذرات باردار اجازه می‌ده که به آن لکه چشمی وارد بشه.

و این در نتیجه به لکه چشمی اجازه می‌ده تا یک سیگنال الکتریکی داشته باشه

that allows this eyespot to have an electrical signal,

درست مثل یک سلول خورشیدی که یک باطری را شارژ می‌کنه.

just like a solar cell charging a battery.

So what we need to do is take these molecules

پس کاری که باید بکنیم اینه که این مولکولها را بگیریم

و به طریقی آنها را در داخل نورونها نصب کنیم.

and somehow install them in neurons.

And because it's a protein,

و از آنجا که این یک پروتئین است،

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

در نتیجه در DNA این جاندار کد شده.

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

پس فقط همین می‌ماند که ما آن DNA را برداریم،

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

آن را داخل یک حامل ژن درمانی، مانند یک ویروس قرار بدیم،

and put it into neurons.

و آن را به نورونها منتقل کنیم.

And this was a very productive time in gene therapy,

و این طور از کار در آمد که ما در زمان پرباری در زمینه ژن درمانی قرار داریم،

and lots of viruses were coming along,

و هر روز ویروسهای بیشتری پیدا می‌شوند.

so this turned out to be fairly simple.

و این انجام این کار خیلی راحت بود.

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

و صبح یک روز تابستان در سال 2004 بود،

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

که ما اینکار را امتحان کردیم و همان دفعۀ اول جواب داد.

شما این DNA را می‌گیرید و داخل یک نورون قرار می‌دهید.

You take this DNA and put it into the neuron.

The neuron uses its natural protein-making machinery

بعد نورون از ساز و کار پروتئین سازی طبیعی خودش استفاده می‌کنه

to fabricate these little light-sensitive proteins

و این پروتئینهای حساس به نور را می‌سازه

و در سر تا سر سلول نصب می‌کنه،

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

مثل قرار دادن صفحه‌های خورشیدی روی یک سقف.

And the next thing you know,

و در این مرحله،

you have a neuron which can be activated with light.

ما یک نورون داریم که بوسیله نور فعال می‌شه.

پس این واقعا قدرتمنده.

So this is very powerful.

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

یک فوت وفن که برای اینکار مورد نیازه

اینه که بتونیم بفهمیم چطور این ژنها را فقط به سلولهای مورد نظر منتقل کنیم

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

و نه به سلولهای مجاور آن.

و این کار انجام شدنیه؛ ما می‌تونیم ویروسها را کمی تغییر بدهیم

And you can do that;

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

تا فقط به همان سلولهای مورد نظر حمله کنه و نه بقیه آنها.

و همین طور حقه های ژنتیکی دیگری هستند

And there's other genetic tricks you can play

تا به سلولهای فعال شده توسط نور دست پیدا کنیم.

in order to get light-activated cells.

این رشته را ما امروزه به عنوان آپتوژنتیک (ژنتیک نوری) می‌شناسیم.

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

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

برای مثال فقط یکی از کارهایی که می‌تونید انجام بدهید،

اینه که می‌تونید یک شبکه پیچیده را بگیرید،

you can take a complex network,

use one of these viruses to deliver the gene

و از یکی از این ویروسها برای انتقال ژن

تنها به یک نوع از سلولهای این شبکه متراکم استفاده کنید.

just to one kind of cell in this dense network.

And then when you shine light on the entire network,

و سپس وقتی به تمام این شبکه نور می‌تابانید،

just that cell type will be activated.

فقط همان گونه از سلولها فعال می‌شوند.

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

برای مثال بگذارید آن سلولهای سبدی که قبلا در موردش صحبت کردیم را در نظر بگیریم

همان که در بیماری اسکیزوفرنی تحلیل می‌رود

the one that's atrophied in schizophrenia

و از نوع سلولهای مهار کننده است.

and the one that is inhibitory.

اگر ما بتونیم آن ژن را به این سلولها منتقل کنیم

If we can deliver that gene to these cells --

و البته آنها توسط عملکرد این ژن تغییر پیدا نمی‌کنند

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

و بعد یک نور آبی روی تمام شبکۀ مغز بتابانیم،

then flash blue light over the entire brain network,

just these cells are going to be driven.

فقط همین سلولها فعال خواهند شد.

و وقتی نور قطع می‌شود، این سلولها به حالت عادی بر می‌گردند،

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

در نتیجه این برای سلولها ضرری ندارد.

there don't seem to be adverse events.

Not only can you study what these cells do,

نه تنها از این روش می‌توان برای تایین عملکرد این سلولها

what their power is in computing in the brain,

و اینکه نقش هر کدام در محاسبه‌های ذهن چیست، استفاده کرد،

بلکه می‌توان از آن استفاده کرد تا بفهمیم

you can also use this to try to figure out

که مثلا آیا میشه فعالیت این سلولها را در مواردی که

if we could jazz up the activity of these cells

آنها تحلیل رفته‌اند بالا برد.

if indeed, they're atrophied.

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

حالا من می‌خواهم براتون دو تا داستان کوتاه

در مورد چگونگی استفاده از این روش تعریف کنم،

both at the scientific clinical and preclinical levels.

که هم مربوط میشه به مرحله علمی و هم بالینی و هم پیش بالینی.

One of the questions that we've confronted is:

یکی از سوالهایی که با آن مواجه هستیم این هست

What signals in the brain mediate the sensation of reward?

که چه پیامها و سیگنالهایی در مغز وجود دارند که باعث احساس پاداش می‌شوند؟

Because if you could find those,

به خاطر اینکه اگر بتونیم آنها را پیدا کنیم،

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

آنها همان سیگنالهایی را تشکیل می‌دهند که باعث یادگیری می‌شوند.

مغز از هر کاری که پاداش بگیره، بیشتر آن را انجام می‌ده.

the brain will do more of what got that reward.

و این همان سیگنالهایی هستند که در مواردی مثل اعتیاد از جاده خارج می‌شوند.

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

پس اگر ما می‌تونستیم بفهمیم آنها چه سلولهایی هستند،

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

شاید بتونیم هدفهای و گیرنده‌های جدیدی پیدا کنیم

و درنتیجه بتونیم برای آنها دارو طراحی کنیم،

for which drugs can be designed or screened against

یا شاید جاهایی را پیدا کنیم که بتونیم برای

or maybe places where electrodes could be put in

مردمی که ناتوانی شدید دارند الکترود نصب کنیم.

for people who have severe disability.

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

و برای این کار ما با همکاری گروه " فیورلا "

به فکر ساختن یک نمونه افتادیم.

in collaboration with the Fiorillo group,

وقتی حیوان به یک طرف این جعبه کوچک می‌رود

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

یک پالس نوری دریافت می‌کند

it gets a pulse of light.

تا سلولهای مختلف در مغز به نور حساس شوند.

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

بنابراین اگر این گروه از سلولها واسطه پاداش باشند،

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

در نتیجه آن حیوان می‌بایست هر دفعه با رغبت بیشتری به آنجا رود.

و همین اتفاق هم می‌افتد.

And that's what happens.

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

این حیوان از روی کنجکاوی به سمت راست آن میره،

و هر بار که این کار را می‌کنه یک فلاش نور آبی دریافت می‌کنه.

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

و این کار را همین طور صدها و صدها بار انجام می‌ده.

He'll do that hundreds of times.

اینها نورونهای دپامین هستند،

These are the dopamine neurons,

که احتمالا بعضی از شما درباره کار آن در برخی از مراکز لذت مغز شنیده‌اید.

in some of the pleasure centers in the brain.

اینجا ما نشان داده‌ایم که حتی یک فعالسازی مختصر این قسمتها

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

برای تحریک یادگیری کافیه.

و اینجا ما می‌تونیم این نظریه را تعمیم بدهیم.

Now we can generalize the idea.

یعنی بجای یک نقطه در مغز،

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

ما می‌تونیم دستگاههایی درست کنیم که همه مغز را فرا بگیرند،

- و بتونند نور را در یک الگوی سه بعدی انتقال بدهند -

that can deliver light into three-dimensional patterns --

آرایه‌هایی از فیبرهای نوری،

arrays of optical fibers,

که هر کدام به یک منبع نور مستقل و مخصوص خود جفت شده اند.

each coupled to its own independent miniature light source.

و در این مرحله ما می‌تونیم کارهایی را در درون بدن یک موجود زنده انجام بدهیم

Then we can try to do things in vivo

- که تا به حال تنها در یک ظرف قادر به انجام آن بوده ایم -

that have only been done to date in a dish,

like high-throughput screening throughout the entire brain

مانند پوشش و بررسی کامل مغز با بازده بالا

برای یافتن سیگنالهایی که باعث وقایع خاص می‌شوند.

for the signals that can cause certain things to happen

و یا اینکه می‌تونند اهداف بالینی خوبی باشند

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

برای درمان بیماریهای مغزی.

و نمونه‌ای که من اینجا می‌خواهم براتون تعریف کنم

One story I want to tell you about is:

اینه که ما چطور می‌تونیم برای درمان بیماری PTSD

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

که باعث اضطراب و ترس خارج از کنترل میشه، سلولهای هدف را پیدا کنیم.

a form of uncontrolled anxiety and fear?

و یکی از کارهایی که ما انجام دادیم

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

استفاده از یکی از مدلهای بسیار کلاسیک ترس بود.

This goes back to the Pavlovian days.

این موضوع به دوران پاولف بر می‌گرده.

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

- که به آن شرطی شدن پاولفی ترس می‌گن -

که در آن به حیوان پس از شنیدن یک صوت خاص، شوک مختصری داده می‌شود.

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

آن شوک دردناک نیست، ولی کمی آزار دهنده است.

و به مرور زمان - در این مورد، یک موش -

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

- که یک مدل حیوانی مطلوب است و معمولا در این گونه آزمایشها از آن استفاده میشود -

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

حیوان یاد می‌گیره که از آن صدا بترسه.

the animal learns to fear the tone.

حیوان با خشک شدن در جای خودش واکنش نشان می‌ده،

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

مثل یک گوزن که در جاده چراغهای جلوی یک ماشین را می‌بینه.

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

حالا اینجا این سوال مطرحه که ما چه نقاطی را در مغز به عنوان هدف پیدا کنیم

that allow us to overcome this fear?

که بتونیم با کمک آن با این ترس مقابله کنیم؟

پس کاری ما اینجا انجام می‌دهیم اینه که آن صدا را دوباره

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

بعد از اینکه با ترس وابسته شده و پیوند خورده اجرا می‌کنیم.

ولی این بار ما هدفهای مختلف دیگری را در مغز فعال می‌کنیم،

But we activate different targets in the brain,

با استفاده از آن آرایه‌های فیبر نوری که در اسلاید قبل در موردش صحبت کردیم،

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

تا بتونیم بفهمیم کدام یک از این اهداف

in order to try and figure out

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

می‌تونند به مغز برای مقابله با آن ترس کمک کنند.

و این ویدئوی کوتاه

This brief video shows you one of these targets

یکی از این هدفها را که ما داریم روی آن کار می‌کنیم را نشون می‌ده.

that we're working on now.

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

این یک ناحیه از قشر پیش پیشانی مغزه

ناحیه ای که با استفاده از تفکر می‌تونیم با موقعیتهای احساسی آزارنده مقابله کنیم.

to try to overcome aversive emotional states.

و حیوان یک صدا خواهد شنید - و یک فلاش نور هم اینجا اتفاق افتاد. -

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

این تصاویر بدون صدا هستند، ولی شما می‌تونید ببینید که حیوان در جای خودش خشک می‌شه.

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

این صدا همیشه خبر بدی همراه خود داشته.

the tone used to mean bad news.

و با این ساعت کوچک که در پایین سمت چپ قرار داره،

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

شما می‌بینید که حیوان دو دقیقه‌ای هست که در این آزمایش قرار داره.

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

و این کلیپ بعدی

This next clip is just eight minutes later.

فقط هشت دقیقه بعد از آن را نشان می‌ده.

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

و همان صدا اجرا خواهد شد، و نور هم دوباره فلاش می‌زنه.

خیلی خوب، اینجا.

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

و اینجا شما می‌بینید که تنها با گذشت 10 دقیقه از شروع آزمایش،

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

ما مغز را توسط فعالسازی نوری این ناحیه، مجهز کرده‌ایم

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

تا با القای این حافظه ترس مقابله کند.

to overcome the expression of this fear memory.

تا با القای این حافظه ترس مقابله کند.

اکنون در دو سال اخیر، ما به درخت زندگی باز گشته‌ایم،

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

چون ما می‌خواستیم راههایی برای خاموش کردن مدارهای مغزی پیدا کنیم.

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

توانایی انجام این کار به ما قدرت بسیار زیادی می‌دهد.

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

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

اگر ما بتونیم سلولها را تنها برای چند ثانیه و یا حتی میلی ثانیه غیرفعال کنیم،

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

می‌تونیم بفهمیم هر کدام از آنها در مدار خود

چه نقشی را بازی می‌کنند.

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

- و اکنون ما موجوداتی را از سراسر مسیر تکاملی مورد بررسی قرار داده‌ایم -

در هر گونه به غیر از حیوانات، ما کمی تفاوت می‌بینیم.

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

و ما انواعی از مولکولها بنام هالورودوپسینها و آرکیرودوپسینها را پیدا کرده‌ایم،

We found molecules called halorhodopsins or archaerhodopsins,

که به نور سبز و زرد واکنش می‌دهند.

that respond to green and yellow light.

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

و در واقع برعکس آن چیزی را انجام می‌دهند که آن مولکول قبلی انجام می‌داد

و توسط نور آبی فعال می‌شد.

with the blue light activator, channelrhodopsin.

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

بگذارید یک مثال بزنم تا بفهمیم این نظریه چه اهدافی داره.

Consider, for example, a condition like epilepsy,

برای مثال یک بیماری مانند صرع را در نظر بگیرید،

where the brain is overactive.

که در آن مغز فعالیت بیش از حد داره.

Now, if drugs fail in epileptic treatment,

اگر در درمان این بیماری با دارو موفق نباشیم،

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

یکی از روشهای درمان اینه که قسمتی از مغز را برداریم.

و خوب معلومه که این برگشت پذیر نیست و با عوارض جانبی همراهه.

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

حالا اگر بتونیم آن مغز را برای زمان کوتاهی خاموش کنیم،

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

تا وقتی که تشنج از بین بره،

until the seizure dies away,

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

- و باعث بشه تا مغز به حالت عادی خودش برگرده -

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

مثل یک سیستم دینامیک که به حالت پایدار خودش برگردانیم.

این انیمیشن سعی دارد این موضوع را توضیح بده

This animation tries to explain this concept

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

که در آن ما این سلولها را حساس کردیم تا توسط نور خاموش بشوند،

و ما به آن نور می‌تابانیم،

and we beam light in,

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

تنها تا زمانی که تشنج متوقف بشه،

ما امیدواریم که بتونیم آن را خاموش کنیم.

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

و ما داده‌ای در اینجا نداریم که به شما نشان بدهیم،

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

ولی ما در این مورد بسیار هیجان زده هستیم.

but we're very excited about this.

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

حالا می‌خواهم با این موضوع پایان بدهم،

- که ما فکر می‌کنیم یک احتمال دیگر وجود داره -

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

که شاید از این مولکولها، در صورتیکه بتونیم کنترل فوق دقیق اعمال کنیم،

در خود مغز استفاده کنیم

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

تا نوع جدیدی از اندامهای مصنوعی وابسته به نور درست کنیم.

an optical prosthetic.

ما قبلا گفتیم که محرکهای الکتریکی غیر معمول نیستند.

I already told you that electrical stimulators are not uncommon.

75000 نفر دارای ایمپلنت محرکهای عمیق مغزی برای درمان پارکینسون هستند.

Seventy-five thousand people

have Parkinson's deep-brain stimulators implanted,

شاید حدود 100000 نفر ایمپلنت محرکهای درون گوش دارند،

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

که به آنها برای شنوایی کمک می‌کنند.

یک مسئله دیگه هم وجود داره که ما باید بتونیم این ژنها را به نحوی به سلولها وارد کنیم.

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

و امیدهای تازه ای در ژن درمانی در جریان است

A new hope in gene therapy has been developed,

because viruses like the adeno-associated virus --

چون ویروسهایی مانند ادنو-ویروسها،

که احتمالا همه ما در این سالن در بدن خود داریم،

which probably most of us around this room have;

و هیچگونه علائم بیماری از خود ندارند،

it doesn't have any symptoms --

و در صدها بیمار از آنها

have been used in hundreds of patients

to deliver genes into the brain or the body.

برای انتقال ژنها به مغز و یا بدن آنها استفاده شده.

And so far, there have not been serious adverse events

و تا کنون هیچ گونه عوارض جانبی از

این ویروسها مشاهده نشده است.

associated with the virus.

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

تنها یک مشکل دیگر باقی میمونه، و آن خود پروتئینها هستند،

which come from algae, bacteria and funguses

که از جلبکها و باکتریها و قارچها،

and all over the tree of life.

و تمام گونه های حیات گرفته می‌شوند.

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

بیشتر ما در مغز خود هیچ قارچ و یا جلبکی نداریم،

پس مغز ما پس از ورود آنها چه واکنشی از خود نشان می‌دهد؟

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

آیا سلولها قادر به تحمل آن هستند؟ آیا سیستم ایمنی واکنش نشان خواهد داد؟

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

این تحقیق در مراحل مقدماتی قرار دارد و هنوز روی انسانها آزمایش نشده،

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

ولی ما داریم روی تحقیقات متعددی کار می‌کنیم

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

تا بتونیم این مطلب را بررسی کنیم.

و تا کنون شاهد هیچ گونه واکنش آشکاری

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

علیه این مولکولها

to these molecules

or to the illumination of the brain with light.

یا علیه تابش نور به مغز نبوده‌ایم

در مراحل نخستین این طرح هستیم و صادقادنه بگیم که از آن هیجان زده‌ایم.

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

من می‌خواستم بحث را با این موضوع به پایان ببرم،

I wanted to close with one story,

which we think could potentially be a clinical application.

که می‌تونه بطور بالقوه

یک کاربرد بالینی داشته باشه.

Now, there are many forms of blindness

امروزه انواع مختلفی از نابینایی وجود دارد

که در آنها گیرنده‌های نور،

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

که در پشت چشم قرار دارند از بین رفته.

are gone.

And the retina is a complex structure.

و می‌دونیم که شبکیه عضو بسیار پیچیده ایست.

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

حالا بگذاریم بریم نزدیک تر تا آنرا با جزئیات بیشتری ببینیم.

سلولهای گیرنده نور در این بالا نشان داده شده‌اند،

The photoreceptor cells are shown here at the top.

The signals that are detected by the photoreceptors are transformed

و سپس سیگنالهایی که توسط گیرنده‌های نوری دریافت می‌شوند

توسط محاسبات گوناگون تبدیل می‌شوند،

via various computations

تا نهایتا آن لایه سلول که در زیر قرار گرفته، بنام گره‌های عصبی،

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

این اطلاعات را به مغز مخابره میی‌کنند،

relay the information to the brain,

و ما آن را بصورت یک حس دریافت می‌کنیم.

where we see that as perception.

در انواع مختلفی از نابینایی، مانند آماس شبکیه‌ای رنگدانه‌ای،

In many forms of blindness, like retinitis pigmentosa

or macular degeneration,

و یا انحطاط لکه چشمی

the photoreceptor cells have atrophied or been destroyed.

سلولهای گیرنده نور تحلیل رفته و نابود شده‌اند.

Now, how could you repair this?

حالا چطور می‌توان آن را درمان کرد؟

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

در این مورد حتی مشخص نیست که یک دارو بتونه باعث برگشت این سلولها بشه،

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

چون چیزی برای پیوند با دارو وجود نداره.

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

از سوی دیگر نور هنوز می‌تونه وارد چشم بشه.

مسیر نور هنوز شفافه و نور می‌تونه وارد چشم بشه.

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

حالا اگر ما بتونیم این [رودواسپین کانالی] ها و مولکولهای دیگر را بگیریم

So what if we could take these channelrhodopsins and other molecules

و آنها را روی برخی از این سلولهای بجا مانده قرار بدهیم

and install them on some of these other spared cells

آنها را به نوعی دوربینهای کوچک تبدیل کنیم.

and convert them into little cameras?

و چون سلولهای زیادی از این نوع در چشم وجود دارند،

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

دوربینهای با کیفیت بالایی بدست خواهیم آورد.

potentially, they could be very high-resolution cameras.

خوب این قسمتی از کاریه که ما داریم انجام می‌دهیم.

This is some work that we're doing,

این تحقیقات توسط یکی از همکاران ما،

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

Alan Horsager در دانشگاه کالیفرنیای جنوبی هدایت می‌شه،

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

و دنبال این هستیم که به آن توسط تاسیس شرکت علوم اعصاب بنام Eos جنبه تجاری بدهیم،

که هزینه آن توسط انستیتوی ملی سلامتی تامین می‌شه.

which is funded by the NIH.

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

و اینجا شما یک موش را در حین حل کردن یک هزارتو می‌بینید.

این یک هزارتو شش جهتیه. و مقداری هم آب در آن وجود داره

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

تا موش را تحریک کنه که به جلو بره، وگرنه همانجا می‌مونه.

و هدف این هزارتو البته اینه که

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

موش از آب بیرون بیاد و به سطح کوچکی برسه

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

که در زیر این دریچه نور دهی شده بالایی است.

موشها باهوشند، و این موش نهایتا هزارتو را حل می‌کنه،

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

but he does a brute-force search.

ولی این کار را در زیر فشار انجام می‌ده.

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

او در هر راهرو به سمت پایین شنا می‌کنه تا نهایتا به سطح برسه.

He's not using vision to do it.

پس او از حس بینایی خودش استفاده نمی‌کنه.

These different mice are different mutations

این موشها جهشهای ژنتیکی متفاوتی دارند

که نماینده انواع مختلف نابینایی در انسانها هستند.

that recapitulate different kinds of blindness that affect humans.

پس اینجا ما سعی می‌کنیم تا با دقت مدلهای مختلف را مورد بررسی قرار بدهیم،

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

تا به یک روش عمومی دست پیدا کنیم.

so we come up with a generalized approach.

پس ما چطور برای این مسئله جواب پیدا کنیم؟

So how can we solve this?

ما دقیقا همان کاری را که در اسلاید قبل توضیح دادیم انجام خواهیم داد.

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

ما این گیرنده های نوری آبی را می‌گیریم

We'll take these blue light photo sensors

و آنها را روی یک لایه سلولی

and install them onto a layer of cells

در وسط شبکیه در پشت چشم کار می‌گذاریم

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

and convert them into a camera --

و آنها را به یک دوربین تبدیل می‌کنیم.

just like installing solar cells all over those neurons

درست مثل نصب کردن سلولهای خورشیدی در تمامی این نورونها

و تبدیل آنها به سلولهای حساس به نور.

to make them light-sensitive.

Light is converted to electricity on them.

نور تابیده شده بر آنها به الکتریسیته تبدیل می‌شه.

So this mouse was blind a couple weeks before this experiment

این موش دو هفته قبل از آزمایش کور بود

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

و یک دز از این مولکول حساس به نور را در یک ویروس دریافت کرد.

و اینجا می‌تونید ببینید که این حیوان به دیوارها برخورد نمی‌کنه

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

و به این سطح کوچک می‌رسه

and go to this little platform

و در واقع از چشماش استفاده هوشمند می‌کنه.

and make cognitive use of its eyes again.

و برای اینکه قدرت این کار را درک کنید بگویم که

And to point out the power of this:

این حیوانها به همان سرعت حیواناتی به سطح می‌رسند

these animals can get to that platform

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

که تمامی عمرشان بینا بوده‌اند.

به نظر من این تحقیق پیش بالینی

So this preclinical study, I think, bodes hope

ما را برای انجام کارهایی که

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

می‌خواهیم در آینده انجام دهیم امیدوار می‌کند.

در خاتمه می‌خواهم بگم که ما دنبال مدلهای

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

تجاری جدید در این رشته جدید از نوروتکنولوژی هستیم.

ما این ابزارها را درست می‌کنیم،

We're developing tools and sharing them freely

ولی آنها را مجانی در اختیار صدها گروه در سرتاسر جهان می‌گذاریم،

with hundreds of groups all over the world

تا مردم بتونند آنها را مطالعه و روی درمان بیماریهای مختلف توسط آنها تحقیق کنند.

for them to study and try to treat different disorders.

و امید ما اینه که با درک بهتر مدارهای مغزی

Our hope is that by figuring out brain circuits

تا مرحله‌ای که بتوان از آن برای ترمیم و مهندسی آنها استفاده کرد،

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

ما می‌تونیم برخی از این بیماریهای غیر قابل کنترل را که در مورد آنها حرف زدیم،

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

که عملا برای هیچ یک درمانی وجود نداره را بگیریم،

practically none of which are cured,

و در قرن 21 آنها را به تاریخ تبدیل کنیم.

and in the 21st century, make them history.

متشکرم.

Thank you.

(Applause)

(تشویق)

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

- پس بعضی چیزها یک خرده سخت هستند.

(Laughter)

(خنده حضار)

ولی کابرد مفاهیم

But the implications of being able to control seizures or epilepsy

و اینکه قادر باشیم صرع و تشنج را

with light instead of drugs

با نور بجای استفاده از دارو کنترل کنیم،

and being able to target those specifically

و بتونیم آنها را مستقیما و بطور اختصاصی هدف قرار بدهیم

is a first step.

مرحله اول کاره.

The second thing that I think I heard you say

نکته دوم که فکر کنم به آن اشاره کردید

is you can now control the brain in two colors,

اینه ما الان می‌تونیم مغز را با دو رنگ کنترل کنیم.

مثل یک سوییچ خاموش و روشن.

like an on-off switch.

- درسته.

Ed Boyden: That's right.

- که باعث می‌شه هر ایمپالسی که وارد مغز می‌شه مثل یک کد دودویی عمل کنه.

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

- بله، درسته.

EB: Right.

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

پس با کد آبی ما می‌تونیم اطالاعات را وارد و تحریک کنیم، که این به صورت یک کد یکه.

و با ملایم کردن آن مثل صفر عمل می‌کنه.

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

پس امید ما اینه نهایتا در آینده برای مغز پردازنده‌های کمکی بسازیم

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

که همراه با مغز کار می‌کنند،

و ما می‌تونیم عملکرد را به انسانهای ناتوان برگردونیم.

so we can augment functions in people with disabilities.

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

- و در تئوری این بدان معناست که

همان طور که یک موش احساس می‌کنه، بو می‌کشه،

می‌شنوه، لمس می‌کنه،

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

شما می‌تونید آن را بصورت داده های صفر و یک، الگوبرداری کنید.

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

- البته، بله، ما امیدواریم بتونیم از این روش به عنوان راهی برای آزمایش این پیدا کنیم

که کدام کد نورونی باعث چه رفتارهای خاصی

what neural codes can drive certain behaviors

و افکار خاصی و احساسات خاصی می‌شوند،

and certain thoughts and certain feelings

و از آن برای درک بیشتر مغز استفاده کنیم.

and use that to understand more about the brain.

JE: Does that mean that someday you could download memories

- آیا این بدین معناست که یک روز ما می‌تونیم حافظه اشخاص را دانلود

and maybe upload them?

و یا حتی آپلود کنیم؟

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

- خوب این چیزیه که ما سخت روی آن مشغول کار هستیم.

ما الان مشغول انجام کاری هستیم

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

که در آن سعی می‌کنیم تا مغز را با یک سری عناصر ضبط کننده بپوشونیم.

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

- تا بتونیم اطلاعات را ذخیره سازی و دوباره وارد مغز کنیم -

sort of computing what the brain needs

یه جور مثل انجام محاسباتی که مغز احتیاج داره

in order to augment its information processing.

تا بتونیم به پردازش اطلاعات آن کمک کنیم.

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

- خوب، این باعث تغییراتی می‌شه. متشکرم. (- متشکرم.)

EB: Thank you.

(تشویق)

(Applause)