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

Traducteur: Ameerah Arjanee Relecteur: eric vautier

Hello, everybody.

Bonjour, tout le monde.

I brought with me today a baby diaper.

J'ai apporté une couche pour bébé.

You'll see why in a second.

Je vous le dirai pourquoi.

Baby diapers have interesting properties.

Elles ont des propriétés particulières.

They can swell enormously when you add water to them,

Elles se gonflent beaucoup quand vous y ajoutez de l'eau,

an experiment done by millions of kids every day.

comme le prouvent des millions d'enfants tous les jours.

(Laughter)

(Rires)

But the reason why

C'est parce qu'elles ont été conçues très intelligemment.

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

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

Elles sont faites d'un matériel gonflable.

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

Quand vous y ajoutez de l'eau,

it will swell up enormously,

ça se gonfle énormément,

maybe a thousand times in volume.

peut-être mille fois en volume.

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

C'est un polymère industriel très utile.

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

Ce que mon équipe au MIT essaie de faire

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

est de voir si on peut faire quelque chose de semblable au cerveau.

Can we make it bigger,

Peut-on l'agrandir

big enough that you can peer inside

pour le regarder de près,

and see all the tiny building blocks, the biomolecules,

pour voir comment ces infimes blocs, les biomolécules,

how they're organized in three dimensions,

sont organisés en trois dimensions ?

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

Voir la structure de base du cerveau, on pourrait dire ?

If we could get that,

En faisant ceci,

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

on aurait une meilleure idée de comment le cerveau est organisé pour

to yield thoughts and emotions

produire des pensées et émotions,

and actions and sensations.

des actions et sensations.

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

Peut-être qu'on pourrait identifier les changements exacts

that result in diseases,

qui provoquent des maladies

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

comme Alzheimer, l'épilepsie et Parkinson,

for which there are few treatments, much less cures,

pour lesquelles il y existe peu de soins et de remèdes

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

et desquelles on connaît rarement les origines,

and what's really causing them to occur.

ce qui les causent vraiment.

Now, our group at MIT

Notre équipe au MIT

is trying to take a different point of view

essaie de voir les choses d'une autre façon en retraçant

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

l'évolution de la neuroscience au cours des 100 dernières années.

We're designers. We're inventors.

On est designers et inventeurs.

We're trying to figure out how to build technologies

On essaie de concevoir des technologies

that let us look at and repair the brain.

pour observer et réparer le cerveau.

And the reason is,

La raison derrière

the brain is incredibly, incredibly complicated.

est que le cerveau est sacrément compliqué.

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

On a appris au cours du premier siècle de la neuroscience

is that the brain is a very complicated network,

que le cerveau est un réseau très complexe

made out of very specialized cells called neurons

composé de neurones, des cellules spécialisées

with very complex geometries,

avec des géométries très complexes

and electrical currents will flow through these complexly shaped neurons.

à travers lesquelles traversent des courants électriques.

Furthermore, neurons are connected in networks.

De plus, les neurones sont connectés en réseaux

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

par de petites jonctions, des synapses, qui transmettent les éléments chimiques

and allow the neurons to talk to each other.

qui leur permettent de communiquer entre eux.

The density of the brain is incredible.

Le cerveau est d'une densité incroyable.

In a cubic millimeter of your brain,

Dans un millimètre cube du cerveau,

there are about 100,000 of these neurons

il y a environ 100 000 de ces neurones

and maybe a billion of those connections.

et peut-être bien un milliard de ces jonctions.

But it's worse.

Mais c'est pire que ça.

So, if you could zoom in to a neuron,

Si vous zoomez sur un neurone --

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

et ceci n'est qu'une représentation artistique --

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

vous allez voir des milliers et des milliers de types de biomolécules,

little nanoscale machines organized in complex, 3D patterns,

des machines nanométriques organisées en schémas 3D

and together they mediate those electrical pulses,

servant de médiateurs entre les impulsions électriques,

those chemical exchanges that allow neurons to work together

ces échanges chimiques qui permettent aux neurones de travailler ensemble

to generate things like thoughts and feelings and so forth.

pour générer des choses comme les pensées et les sentiments.

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

Nous ne savons pas exactement comment sont organisés ces neurones

to form networks,

pour former des réseaux

and we don't know how the biomolecules are organized

ou comment sont organisées les biomolécules à l'intérieur des neurones

within neurons

to form these complex, organized machines.

pour former ces machines complexes.

If we really want to understand this,

Si on veut vraiment comprendre ceci,

we're going to need new technologies.

il faudra de nouvelles technologies.

But if we could get such maps,

En arrivant à cartographier le tout,

if we could look at the organization of molecules and neurons

on pourrait voir l'organisation des molécules et neurones, et

and neurons and networks,

des neurones et réseaux.

maybe we could really understand how the brain conducts information

On pourrait comprendre comment le cerveau dirige de l'information

from sensory regions,

des régions sensorielles,

mixes it with emotion and feeling,

mélange ceci avec les émotions

and generates our decisions and actions.

et produit nos décisions et actions.

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

On pourrait identifier les changements moléculaires exacts qui se produisent

in a brain disorder.

dans un trouble cérébral.

And once we know how those molecules have changed,

Une fois qu'on comprend comment ces molécules ont changé,

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

si elles ont augmenté ou changé de schéma,

we could use those as targets for new drugs,

on les utiliserait comme cibles pour de nouveaux médicaments,

for new ways of delivering energy into the brain

de nouvelles façons de transmettre de l'énergie

in order to repair the brain computations that are afflicted

dans le cerveau pour y réparer les computations abîmées

in patients who suffer from brain disorders.

chez les patients atteints de troubles cérébraux.

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

Beaucoup de nouvelles technologies au cours du dernier siècle

to try to confront this.

ont relevé ce défi.

I think we've all seen brain scans

On a tous vu des scans cérébraux

taken using MRI machines.

pris dans des machines fMRI.

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

Leur grand atout est leur non invasivité, donc on peut

they can be used on living human subjects.

les utiliser sur des sujets humains vivants.

But also, they're spatially crude.

Mais ils sont aussi visuellement peu raffinés.

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

Chacune de ces zones à l'écran, des voxels,

can contain millions and millions of neurons.

peut contenir des millions de neurones.

So it's not at the level of resolution

Alors on n'a pas la résolution

where it can pinpoint the molecular changes that occur

requise pour identifier les changements moléculaires

or the changes in the wiring of these networks

ou les changements dans le câblage du cerveau

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

qui contribue à nous faire des êtres conscients et capables.

At the other extreme, you have microscopes.

À l'autre extrême, vous avez les microscopes.

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

Ils se servent de la lumière pour observer des choses minuscules.

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

Pendant des siècles, on a ainsi observé les bactéries, etc.

For neuroscience,

En neuroscience,

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

les microscopes ont fait la découverte des neurones

about 130 years ago.

il y a 130 ans.

But light is fundamentally limited.

Mais la lumière a ses limites.

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

On ne peut pas voir des molécules individuelles avec un microscope.

You can't look at these tiny connections.

On ne peut pas voir ces petites jonctions.

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

Si nous voulons améliorer la façon d'observer le cerveau,

to get down to the ground truth structure,

de voir sa structure de base de près,

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

on aura besoin de meilleures technologies.

My group, a couple years ago, started thinking:

Mon équipe s'est demandé :

Why don't we do the opposite?

si on faisait le contraire ?

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

Si c'est compliqué de zoomer sur le cerveau,

why can't we make the brain bigger?

pourquoi pas l'agrandir ?

It initially started

Ça a commencé

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

avec deux doctorants de l'équipe, Fei Chen et Paul Tillberg.

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

Maintenant d'autres m'aident dans cette expérience.

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

On a décidé d'essayer de prendre des polymères

like the stuff in the baby diaper,

comme ceux des couches

and install it physically within the brain.

et les installer dans le cerveau.

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

Si on arrive à le faire et on y ajoute de l'eau,

you can potentially blow the brain up

on pourrait gonfler le cerveau

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

au point de pouvoir distinguer une molécule d'une autre.

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

On pourrait voir ces jonctions et cartographier le cerveau.

This could potentially be quite dramatic.

Ça pourrait avoir un effet important.

We brought a little demo here.

On a apporté une démo.

We got some purified baby diaper material.

Voici du matériel de couche purifié.

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

C'est plus facile d'en acheter sur Internet

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

que d'extraire les quelques graines qui se trouvent dans les couches.

I'm going to put just one teaspoon here

Ici, je vais placer une cuillerée

of this purified polymer.

de ce polymère purifié.

And here we have some water.

Et voici un peu d'eau.

What we're going to do

Ce qu'on va faire est

is see if this teaspoon of the baby diaper material

essayer de voir si cette cuillerée de matière de couche

can increase in size.

peut augmenter en taille.

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

Vous allez la voir augmenter par mille

before your very eyes.

sous vos yeux.

I could pour much more of this in there,

Je pourrais y ajouter encore plus d'eau,

but I think you've got the idea

mais vous avez déjà en gros vu

that this is a very, very interesting molecule,

que c'est une molécule très intéressante.

and if can use it in the right way,

Si on l'utilise intelligemment,

we might be able to really zoom in on the brain

on pourra zoomer sur le cerveau d'une façon

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

que les autres technologies n'ont pas pu faire.

OK. So a little bit of chemistry now.

Maintenant, un peu de chimie.

What's going on in the baby diaper polymer?

Que se passe-t-il dans ce polymère de couche ?

If you could zoom in,

Si on zoomait dessus,

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

ça ressemblerait à ce qu'il y a sur l'écran.

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

Les polymères sont de longues et minces chaînes d'atomes.

The chains are very tiny,

Ces chaînes sont minuscules,

about the width of a biomolecule,

de la largeur d'une biomolécule,

and these polymers are really dense.

et ces polymères sont très denses.

They're separated by distances

Ils sont séparés par

that are around the size of a biomolecule.

la distance d'une biomolécule.

This is very good

Ceci est bien

because we could potentially move everything apart in the brain.

parce qu'on pourrait tout écarter dans le cerveau.

If we add water, what will happen is,

Si nous y ajoutons de l'eau,

this swellable material is going to absorb the water,

le matériel gonflable va l'absorber,

the polymer chains will move apart from each other,

les chaînes vont s'écarter l'une de l'autre

and the entire material is going to become bigger.

et tout le matériel va grandir.

And because these chains are so tiny

Parce que ces chaînes sont minuscules

and spaced by biomolecular distances,

et séparées par des distances biomoléculaires,

we could potentially blow up the brain

on pourrait agrandir le cerveau

and make it big enough to see.

à une taille visible.

Here's the mystery, then:

La question clé est :

How do we actually make these polymer chains inside the brain

comment mettre ces chaînes de polymère dans le cerveau

so we can move all the biomolecules apart?

pour faire s'écarter les biomolécules ?

If we could do that,

Si on pouvait le faire,

maybe we could get ground truth maps of the brain.

on pourrait cartographier les bases du cerveau.

We could look at the wiring.

On pourrait voir le câblage.

We can peer inside and see the molecules within.

On y regarderait à l'intérieur pour voir les molécules.

To explain this, we made some animations

On a conçu des animations pour mieux expliquer ceci.

where we actually look at, in these artist renderings,

Les représentations artistiques nous permettent de voir

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

comment seraient les biomolécules si nous les écartions.

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

La première étape serait

is attach every biomolecule, shown in brown here,

de lier chaque biomolécule (ici en marron)

to a little anchor, a little handle.

à une petite ancre, une petite anse.

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

On doit écarter les molécules du cerveau l'une de l'autre,

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

et pour le faire, on a besoin d'une petite anse

that allows those polymers to bind to them

qui fasse que les polymères se lient à elles

and to exert their force.

et exercent leur force.

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

Si vous mettez simplement le polymère sur le cerveau,

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

ça va seulement s'installer dessus.

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

Il faudrait plutôt le fabriquer à l'intérieur même.

And this is where we're really lucky.

Sur ce point, on est chanceux

It turns out, you can get the building blocks,

car on peut prendre les blocs constructifs

monomers, as they're called,

appelés « monomères »

and if you let them go into the brain

et les lâcher dans le cerveau

and then trigger the chemical reactions,

avant d'induire des réactions chimiques

you can get them to form those long chains,

qui les transformeraient en ces longues chaînes

right there inside the brain tissue.

à l'intérieur même du tissu cérébral.

They're going to wind their way around biomolecules

Ils vont s'enrouler autour des biomolécules

and between biomolecules,

et entre celles-ci

forming those complex webs

pour former des réseaux complexes

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

qui permettraient, éventuellement, d'écarter les molécules

from each other.

l'une de l'autre.

And every time one of those little handles is around,

À chaque fois qu'il y a une petite anse,

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

le polymère s'y attachera, et c'est ce dont on a besoin

in order to pull the molecules apart from each other.

pour écarter les molécules les unes des autres.

All right, the moment of truth.

Nous voici à un moment crucial.

We have to treat this specimen

On doit traiter ce spécimen

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

avec un agent chimique pour détacher chaque molécule de l'autre,

and then, when we add water,

puis, à l'ajout de l'eau,

that swellable material is going to start absorbing the water,

le matériel gonflable va commencer à l'absorber

the polymer chains will move apart,

et les chaînes vont s'écarter,

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

mais maintenant, les biomolécules vont les accompagner.

And much like drawing a picture on a balloon,

Et tout comme quand on dessine un ballon

and then you blow up the balloon,

et puis qu'on le gonfle,

the image is the same,

l'image reste la même,

but the ink particles have moved away from each other.

mais les particules d'encre se sont écartées.

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

Et ce que nous avons pu faire en 3D.

There's one last trick.

Il y a un dernier truc.

As you can see here,

Comme vous le voyez,

we've color-coded all the biomolecules brown.

on a codé toutes les biomolécules en marron

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

parce qu'elles se ressemblent toutes.

Biomolecules are made out of the same atoms,

Elles sont faites des mêmes atomes,

but just in different orders.

juste dans des ordres différents.

So we need one last thing

On a besoin d'un dernier truc

in order to make them visible.

pour les rendre visibles.

We have to bring in little tags,

On a besoin de petites étiquettes

with glowing dyes that will distinguish them.

teintes de couleurs vives qui les différencient.

So one kind of biomolecule might get a blue color.

Un type de biomolécule aurait la couleur bleue.

Another kind of biomolecule might get a red color.

Un autre type aurait la couleur rouge.

And so forth.

Et ainsi de suite.

And that's the final step.

Ceci est l'étape finale.

Now we can look at something like a brain

On peut maintenant regarder le cerveau

and look at the individual molecules,

et voir les molécules individuelles

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

parce qu'elles ont été assez écartées l'une de l'autre

that we can tell them apart.

pour qu'on les différencie.

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

L'idée est de rendre visible l'invisible.

We can turn things that might seem small and obscure

On peut prendre des choses minuscules et obscures

and blow them up

et les agrandir

until they're like constellations of information about life.

jusqu'à ce qu'elles deviennent des constellations d'information.

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

Voici une vidéo d'à quoi ça pourrait ressembler.

We have here a little brain in a dish --

On a un petit cerveau dans un pétri --

a little piece of a brain, actually.

un morceau de cerveau, en fait.

We've infused the polymer in,

On y a injecté le polymère

and now we're adding water.

et on y ajoute de l'eau.

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

Vous verrez de vos propres yeux

this video is sped up about sixtyfold --

(cette vidéo est accélérée par soixante)

this little piece of brain tissue is going to grow.

comment grandit ce petit morceau de tissu cérébral.

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

Ça peut augmenter par cent ou encore plus en volume.

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

Ce qui est super, c'est que ces polymères sont si petites

we're separating biomolecules evenly from each other.

que la séparation des biomolécules est uniforme.

It's a smooth expansion.

C'est un élargissement uniforme.

We're not losing the configuration of the information.

La configuration de l'information ne se perd pas.

We're just making it easier to see.

Elle devient simplement plus facile à voir.

So now we can take actual brain circuitry --

Prenons maintenant un vrai circuit cérébral,

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

par exemple la partie qui s'occupe de la mémoire,

and we can zoom in.

et on peut zoomer dessus.

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

On peut discerner comment sont configurés ces circuits.

Maybe someday we could read out a memory.

Peut-être même « lire » une mémoire.

Maybe we could actually look at how circuits are configured

Voir comment ils sont configurés pour

to process emotions,

traiter les émotions,

how the actual wiring of our brain is organized

comment le câblage du cerveau est vraiment organisé

in order to make us who we are.

pour nous rendre qui nous sommes.

And of course, we can pinpoint, hopefully,

Nous espérons, bien sûr, identifier

the actual problems in the brain at a molecular level.

les réels problèmes cérébraux au niveau moléculaire.

What if we could actually look into cells in the brain

Et si on pouvait regarder dans les cellules du cerveau

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

et voir que, disons, 17 molécules ont changé

in this brain tissue that has been undergoing epilepsy

dans ce tissu cérébral qui est atteint d'épilepsie

or changing in Parkinson's disease

ou de Parkinson ou

or otherwise being altered?

a changé d'une autre manière ?

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

Si on dresse une liste de tout ce qui va de travers,

those become our therapeutic targets.

on a une liste de nos cibles thérapeutiques

We can build drugs that bind those.

pour concevoir des médicaments

We can maybe aim energy at different parts of the brain

et pour cibler de l'énergie sur certaines parties

in order to help people with Parkinson's or epilepsy

afin d'aider ceux atteints de Parkinson ou d'épilepsie

or other conditions that affect over a billion people

ou d'autres maladies qui touchent plus d'un milliard de personnes dans le monde.

around the world.

Now, something interesting has been happening.

Ce qui est intéressant est qu'il s'avère

It turns out that throughout biomedicine,

qu'à travers la biomédecine,

there are other problems that expansion might help with.

l'agrandissement pourrait résoudre d'autres problèmes.

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

Voici la biopsie d'une patiente atteinte d'un cancer du sein.

It turns out that if you look at cancers,

Si vous regardez les cancers

if you look at the immune system,

ainsi que le système immunitaire,

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

le vieillissement et le développement,

all these processes are involving large-scale biological systems.

tous ces procédés impliquent des systèmes biologiques à grande échelle,

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

mais, bien sûr, le problème commence à l'échelle des molécules nanométriques,

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

ces « machines » qui font marcher les cellules et organes de nos corps.

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

On essaie de comprendre comment

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

utiliser cette technologie pour cartographier les schémas structuraux

in a wide variety of diseases.

de plusieurs maladies.

Can we actually pinpoint the molecular changes in a tumor

Pouvons-nous identifier les changements dans une tumeur

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

pour pouvoir l'attaquer de manière intelligente

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

et fournir les médicaments qui éliminent précisément les cellules qu'il faut ?

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

Beaucoup de médicaments ont un risque très élevé.

Sometimes, it's even guesswork.

C'est souvent de l'approximation.

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

J'espère transformer quelque chose à risque très élevé

into something that's more reliable.

en quelque chose de plus sûr.

If you think about the original moon shot,

La première mission sur la Lune avait des bases scientifiques solides.

where they actually landed on the moon,

it was based on solid science.

We understood gravity;

On comprenait déjà la gravité,

we understood aerodynamics.

les lois de l'aérodynamisme,

We knew how to build rockets.

la construction des fusées.

The science risk was under control.

Le risque scientifique était sous contrôle,

It was still a great, great feat of engineering.

mais c'était quand même un grand exploit d'ingénierie.

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

Mais en médecine, on n'a pas toujours toutes les lois.

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

Avons-nous des lois qui sont analogues à celle de la gravité,

that are analogous to aerodynamics?

à celles de l'aérodynamisme ?

I would argue that with technologies

Je dirais qu'avec les technologies

like the kinds I'm talking about today,

dont je parle aujourd'hui,

maybe we can actually derive those.

on pourrait bien trouver ces lois.

We can map the patterns that occur in living systems,

On pourrait cartographier les profils des systèmes vivants

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

et trouver des remèdes aux maladies qui nous affectent.

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

Mon épouse et moi avons deux enfants.

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

En tant que bio-ingénieur, je veux que leur vie soit meilleure

than it currently is for us.

que la nôtre actuellement.

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

Mon rêve est de transformer la biologie et la médecine

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

de ces projets à risque élevé, gouvernés par la chance et le hasard,

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

à des domaines où on réussit grâce à l'effort et aux compétences.

then that would be a great advance.

Ce serait une grande avancée.

Thank you very much.

Merci beaucoup.

(Applause)

(Applaudissements)