Grégoire Courtine: The paralyzed rat that walked

Fordító: Csaba Lóki Lektor: Barnabás Kanik

I am a neuroscientist

Idegtudós vagyok,

with a mixed background in physics and medicine.

fizikusi és orvostudományi háttérrel.

My lab at the Swiss Federal Institute of Technology

A Svájci Szövetségi Technológiai Intézetben lévő laboratóriumom

focuses on spinal cord injury,

fő kutatási területe a gerincvelő sérülése,

which affects more than 50,000 people

amelynek évente több mint 50 000

around the world every year,

áldozata van világszerte,

with dramatic consequences for affected individuals,

és amely drámai következményekkel jár az érintettekre,

whose life literally shatters

akiknek pár másodperc alatt

in a matter of a handful of seconds.

gyakorlatilag összeomlik az életük.

And for me, the Man of Steel,

Az én figyelmemet Szupermen,

Christopher Reeve,

Christopher Reeve

has best raised the awareness

hívta fel

on the distress of spinal cord injured people.

a gerincsérült emberek reménytelen helyzetére.

And this is how I started my own personal journey

És itt van, hogyan kezdődött az én személyes utazásom

in this field of research,

ezen a kutatási területen,

working with the Christopher and Dana Reeve Foundation.

a Christopher és Dana Reeve Alapítvánnyal együttműködésben.

I still remember this decisive moment.

Még most is emlékszem erre a döntő pillanatra.

It was just at the end of a regular day of work

Egy átlagos munkanap végén történt

with the foundation.

az alapítványnál.

Chris addressed us, the scientists and experts,

Chris hozzánk, kutatókhoz és szakértőkhöz fordult:

"You have to be more pragmatic.

"Sokkal pragmatikusabbaknak kell lennetek.

When leaving your laboratory tomorrow,

Amikor holnap kimentek a laborból,

I want you to stop by the rehabilitation center

álljatok meg a rehabilitációs központnál,

to watch injured people

és nézzétek meg, amint a sérült emberek

fighting to take a step,

lépésről lépésre

struggling to maintain their trunk.

küszködnek saját testük megtartásával.

And when you go home,

Amikor pedig hazamentek,

think of what you are going to change in your research

gondoljátok át, min kell változtatni a kutatásotokban másnap,

on the following day to make their lives better."

hogy ezeknek az embereknek az életét megkönnyítsétek."

These words, they stuck with me.

Ezek a szavak nagyon belémivódtak.

This was more than 10 years ago,

Ennek már több mint 10 éve,

but ever since, my laboratory has followed

de az azóta eltelt időben a laboratórium továbbra is kitartott

the pragmatic approach to recovery

a gerincsérülést követő rehabilitáció

after spinal cord injury.

pragmatikus megközelítése mellett.

And my first step in this direction

Első lépésem ebbe az irányba

was to develop a new model of spinal cord injury

a gerincvelő-sérülés egy új modelljének kidolgozása volt,

that would more closely mimic some of the key features of human injury

ami, amellett, hogy pontosabban írja le az emberi sérülés legfőbb jellemzőit,

while offering well-controlled experimental conditions.

jól kézben tartható kísérleti körülményeket is biztosít.

And for this purpose, we placed two hemisections

E cél érdekében mesterségesen szétválasztottuk a

on opposite sides of the body.

gerincvelő két oldalát egymástól.

They completely interrupt the communication

Ezzel teljesen megszakítottuk a kommunikációt

between the brain and the spinal cord,

az agy és a gerincvelő között,

thus leading to complete and permanent paralysis

ami a láb teljes és tartós

of the leg.

bénulását okozta.

But, as observed, after most injuries in humans,

De ahogy megfigyeltük, embereknél a legtöbb ilyen sérülést követően

there is this intervening gap of intact neural tissue

marad egy közbülső, sértetlen idegszövet,

through which recovery can occur.

amin keresztül regenerálódás kezdődhet.

But how to make it happen?

De mi kell ahhoz, hogy ez megtörténjen?

Well, the classical approach

Nos, a klasszikus megközelítés

consists of applying intervention

olyan beavatkozást használ,

that would promote the growth of the severed fiber

amely elősegíti, hogy a sérült szövet visszanőjön

to the original target.

eredeti állapotába.

And while this certainly remained the key for a cure,

És bár nyilván egyelőre ez marad a gyógyítás kulcsa,

this seemed extraordinarily complicated to me.

számomra ez rettentő bonyolultnak tűnt.

To reach clinical fruition rapidly,

A gyors klinikai eredmény eléréséhez,

it was obvious:

számomra nyilvánvaló volt:

I had to think about the problem differently.

Máshogy kell megközelítenem a problémát.

It turned out that more than 100 years of research

A gerincvelő fiziológiájának több mint 100 éves

on spinal cord physiology,

kutatásából tudjuk,

starting with the Nobel Prize Sherrington,

már a Nobel-díjas Sherrington

had shown that

kimutatta,

the spinal cord, below most injuries,

hogy a gerincvelő - a legtöbb sérülés esetén -

contained all the necessary and sufficient neural networks

tartalmazta a mozgás koordinálásához szükséges

to coordinate locomotion,

és elégséges ideghálózatokat,

but because input from the brain is interrupted,

de mivel ezek az agytól nem kapnak jeleket,

they are in a nonfunctional state, like kind of dormant.

nem működnek, mintegy alvó állapotban vannak.

My idea: We awaken this network.

Az én ötletem: Ébresszük fel ezt a hálózatot!

And at the time, I was a post-doctoral fellow in Los Angeles,

Akkortájt éppen a doktori gyakorlatomat töltöttem Los Angelesben,

after completing my Ph.D. in France,

miután megszereztem a Ph.D. fokozatot Franciaországban,

where independent thinking

ahol a független gondolkodás

is not necessarily promoted.

nem feltétlenül élvezett támogatást.

(Laughter)

(Nevetés)

I was afraid to talk to my new boss,

Kicsit féltem az új főnökömhöz fordulni,

but decided to muster up my courage.

de aztán úgy döntöttem, hogy össze kell szednem a bátorságomat.

I knocked at the door of my wonderful advisor,

Bekopogtam hát csodálatos konzulensem,

Reggie Edgerton, to share my new idea.

Reggie Edgerton ajtaján, hogy megosszam vele az ötletemet.

He listened to me carefully,

Figyelmesen végighallgatott,

and responded with a grin.

majd cinkos mosollyal kérdezte:

"Why don't you try?"

"Miért nem próbálja ki?"

And I promise to you,

Hát, mondhatom Önöknek,

this was such an important moment in my career,

ez meghatározó eseménye volt a karrieremnek.

when I realized that the great leader

Azt látni, hogy egy ilyen tekintélyes szakember

believed in young people and new ideas.

komolyan vesz egy fiatal kutatót és új ötleteit.

And this was the idea:

Az ötlet pedig a következő volt.

I'm going to use a simplistic metaphor

Egy egyszerű hasonlattal próbálom

to explain to you this complicated concept.

elmagyarázni ezt az összetett koncepciót.

Imagine that the locomotor system is a car.

Képzeljük azt, hogy a mozgatórendszer egy autó.

The engine is the spinal cord.

A motor a gerincvelő.

The transmission is interrupted. The engine is turned off.

Ha az erőátvitelt megszakítjuk, a motor leáll.

How could we re-engage the engine?

Hogyan tudnánk újra beindítani a motort?

First, we have to provide the fuel;

Először is, el kell látnunk üzemanyaggal;

second, press the accelerator pedal;

másodszor, meg kell nyomnunk a gázpedált;

third, steer the car.

harmadszor, kormányoznunk kell az autót.

It turned out that there are known neural pathways

Kiderült, hogy vannak olyan már ismert, az agyból kiinduló

coming from the brain that play this very function

idegi pályák, amelyek pontosan ezt a szerepet játsszák

during locomotion.

a mozgás során.

My idea: Replace this missing input

Az ötlet: Pótoljuk a hiányzó jelet,

to provide the spinal cord

és adjunk a gerincvelőnek

with the kind of intervention

egy olyan jellegű inputot,

that the brain would deliver naturally in order to walk.

amilyet az agy küldene egyébként a mozgás során.

For this, I leveraged 20 years of past research in neuroscience,

Ennek érdekében - az elmúlt 20 év neurológiai kutatásait felhasználva -

first to replace the missing fuel

először a hiányzó üzemanyagot pótoltam

with pharmacological agents

olyan gyógyszerkészítményekkel,

that prepare the neurons in the spinal cord to fire,

amelyek felkészítik a gerincvelő neuronjait a működésre,

and second, to mimic the accelerator pedal

másodszor pedig, elektromos stimulációval

with electrical stimulation.

utánoztuk a gázpedál hatását.

So here imagine an electrode

Képzeljenek el egy, a gerincvelő hátsó részébe

implanted on the back of the spinal cord

beültetett elektródát,

to deliver painless stimulation.

ami fájdalommentes ingereket közvetít.

It took many years, but eventually we developed

Igaz, több éves munkával, de végül kifejlesztettünk

an electrochemical neuroprosthesis

egy elektrokémiai idegprotézist,

that transformed the neural network

amely képes a gerincvelőben lévő ideghálózatot

in the spinal cord from dormant to a highly functional state.

alvó állapotból aktív, működőképes állapotba hozni.

Immediately, the paralyzed rat can stand.

És a lebénult patkány azonnal képes lesz állni.

As soon as the treadmill belt starts moving,

Amint a futószalag beindul,

the animal shows coordinated movement of the leg,

az állat lábai koordinált mozgásba kezdenek,

but without the brain.

az agy közreműködése nélkül.

Here what I call "the spinal brain"

Az általam "gerinci agy"-nak nevezett mechanizmus

cognitively processes sensory information

kognitív módon dolgozza fel

arising from the moving leg

a mozgó lábtól érkező információt,

and makes decisions as to how to activate the muscle

és ez alapján dönti el, mely izmokat kell aktiválnia

in order to stand, to walk, to run,

az állás, a séta, a futás,

and even here, while sprinting,

vagy akár a sprintelés érdekében,

instantly stand

vagy a hirtelen megálláshoz,

if the treadmill stops moving.

a futószalag leállításakor.

This was amazing.

Ez egyszerűen bámulatos volt!

I was completely fascinated by this locomotion

Teljesen lenyűgözött

without the brain,

ez az agyi közreműködés nélküli mozgás,

but at the same time so frustrated.

de egyúttal nem kis frusztrációt is okozott.

This locomotion was completely involuntary.

Ez a mozgás ugyanis teljesen önkéntelen volt.

The animal had virtually no control over the legs.

Az állat egyáltalán nem kontrollálta a lábai mozgását.

Clearly, the steering system was missing.

Nyilvánvalóan hiányzott egy kormánymű.

And it then became obvious from me

Világossá vált számomra,

that we had to move away

hogy el kell távolodnunk

from the classical rehabilitation paradigm,

a klasszikus rehabilitációs módszertől,

stepping on a treadmill,

a futószalagon való lépkedéstől,

and develop conditions that would encourage

és olyan körülményeket kell biztosítanunk, amelyek arra ösztönzik az agyat,

the brain to begin voluntary control over the leg.

hogy önként átvegye a kontrollt a lábak fölött.

With this in mind, we developed a completely new

Ettől a gondolattól vezérelve, kidolgoztunk egy újfajta

robotic system to support the rat

robotikai rendszert, ami segíti a patkányt,

in any direction of space.

a tér bármely irányában mozogni.

Imagine, this is really cool.

Képzeljék csak el, ez valami szuper!

So imagine the little 200-gram rat

Gondolják csak el: ez a kis 20 dekás állatka

attached at the extremity of this 200-kilo robot,

hozzákapcsolva egy 200 kilós robothoz úgy,

but the rat does not feel the robot.

hogy a robot létezéséből semmit nem érzékel.

The robot is transparent,

A robot teljesen észrevétlen számára,

just like you would hold a young child

akár egy szülő, amikor kisgyermeke

during the first insecure steps.

első bizonytalan lépéseit támogatja.

Let me summarize: The rat received

Összefoglalva tehát: A patkány gerincvelőjén

a paralyzing lesion of the spinal cord.

bénulást okozó beavatkozást végeztünk.

The electrochemical neuroprosthesis enabled

Az elektrokémiai idegprotézissel a gerincvelő

a highly functional state of the spinal locomotor networks.

mozgatóideg-hálózatát működőképes, aktív állapotba hoztuk.

The robot provided the safe environment

A robot által biztosított környezetben

to allow the rat to attempt anything

a patkány tetszőleges módon

to engage the paralyzed legs.

használhatta lebénult lábait.

And for motivation, we used what I think

Motivációként azt hiszem

is the most powerful pharmacology of Switzerland:

Svájc leghatékonyabb gyógyszerét használtuk:

fine Swiss chocolate.

első osztályú svájci csokoládét.

(Laughter)

(Nevetés)

Actually, the first results were very, very,

Nos, az első eredmények igen-igen

very disappointing.

lehangolóak voltak.

Here is my best physical therapist

Ez itt a legjobb fizikoterapeutám,

completely failing to encourage the rat

aki sikertelenül próbálja rábírni a patkányt,

to take a single step,

hogy akár egyetlen lépést is tegyen,

whereas the same rat, five minutes earlier,

miközben ugyanez az állat öt perccel korábban

walked beautifully on the treadmill.

gyönyörűen sétált a futószalagon.

We were so frustrated.

Rettenetesen frusztráltak voltunk.

But you know, one of the most essential qualities

Tudniuk kell azonban, hogy a kutatók

of a scientist is perseverance.

egyik legfontosabb képessége a kitartás.

We insisted. We refined our paradigm,

Nem adtuk fel. Finomítottuk az elméletünket,

and after several months of training,

és további néhány hónap tréning után

the otherwise paralyzed rat could stand,

az egyébként lebénult patkány képes volt állni,

and whenever she decided,

és amikor olyan kedve volt,

initiated full weight-bearing locomotion

teljes testére kiterjedő mozgást mutatva,

to sprint towards the rewards.

futni kezdett a jutalom irányába.

This is the first recovery ever observed

Ez volt az első alkalom, hogy megfigyelhettük

of voluntary leg movement

az önkéntes lábmozgatás helyreállását

after an experimental lesion of the spinal cord

a gerincvelő mesterséges károsításával kiváltott

leading to complete and permanent paralysis.

teljes és tartós bénulást követően.

In fact --

Valójában --

(Applause)

(Taps)

Thank you.

Köszönöm.

In fact, not only could the rat initiate

Valójában a patkány nemcsak hogy képes volt

and sustain locomotion on the ground,

mozgást kezdeményezni és fenntartani,

they could even adjust leg movement,

de még lábai mozgását is tudta szabályozni,

for example, to resist gravity

ellenállva például a gravitációnak,

in order to climb a staircase.

lépcsőmászás közben.

I can promise you this was

Mondhatom, ez egy rendkívüli

such an emotional moment in my laboratory.

érzelmi pillanat volt a laboratóriumban.

It took us 10 years of hard work

10 évnyi kemény munkába telt

to reach this goal.

elérni ezt a célt.

But the remaining question was, how?

A kérdés az, hogy hogyan.

I mean, how is it possible?

Mármint hogy hogyan lehetséges ez.

And here, what we found

Egy teljesen váratlan

was completely unexpected.

jelenségre bukkantunk.

This novel training paradigm

Ezzel a gyökeresen új tréningmódszerrel

encouraged the brain to create new connections,

az agy képessé vált új kapcsolatok felépítésére,

some relay circuits

bizonyos reléhálózatok révén,

that relay information from the brain

amelyek átviszik az agyból érkező információt

past the injury and restore cortical control

a sérült területen, és helyreállítják az agykérgi kontrollt

over the locomotor networks below the injury.

a sérülésen túli mozgatóhálózat felett.

And here, you can see one such example,

Itt erre láthatnak egy példát,

where we label the fibers coming from the brain in red.

melyben az agyból érkező idegszálakat vörössel jelöltük.

This blue neuron is connected with the locomotor center,

Ez a kék neuron összeköttetésben van a mozgatóközponttal,

and what this constellation

és a szinaptikus kapcsolatok

of synaptic contacts means

ilyen együttállása azt jelenti,

is that the brain is reconnected with the locomotor center

hogy az agy és a mozgatóközpont között mindössze egyetlen egy

with only one relay neuron.

kapcsolóneuronon keresztül helyreállt az összeköttetés.

But the remodeling was not restricted

Ez a visszaépülés azonban nem korlátozódott

to the lesion area.

a sérült területre.

It occurred throughout the central nervous system,

A jelenség a teljes központi idegrendszerre kiterjedt,

including in the brain stem,

beleértve az agytörzset is,

where we observed up to 300-percent increase

ahol 300 százalékos növekedést tapasztaltunk

in the density of fibers coming from the brain.

az agyból érkező idegrostok sűrűségében.

We did not aim to repair the spinal cord,

Annak ellenére, hogy nem volt célunk a gerincvelő helyreállítása,

yet we were able to promote

az axonális projekció olyan mértékű

one of the more extensive remodeling

újraépülését sikerült kiváltanunk,

of axonal projections ever observed

amihez hasonlót korábban nem figyeltek meg

in the central nervous system of adult mammal

egy felnőtt emlős központi idegrendszerében

after an injury.

egy súlyos sérülést követően.

And there is a very important message

És van egy nagyon fontos üzenet

hidden behind this discovery.

ennek a felfedezésnek a hátterében.

They are the result of a young team

Ezek egy tehetséges és fiatal kutatókból

of very talented people:

álló csoport eredményei:

physical therapists, neurobiologists, neurosurgeons,

fizikoterapeuták, neurobiológusok, idegsebészek,

engineers of all kinds,

különféle mérnökök

who have achieved together

közösen érték el azt,

what would have been impossible by single individuals.

amire egyedül senki nem lenne képes.

This is truly a trans-disciplinary team.

Ez egy valódi transz-diszciplináris csapat.

They are working so close to each other

Olyan szorosan együtt dolgoznak,

that there is horizontal transfer of DNA.

hogy szinte már a DNS-szintű kapcsolat alakult ki köztük.

We are creating the next generation

Ők a következő generáció

of M.D.'s and engineers

orvosai és mérnökei,

capable of translating discoveries all the way

akik képesek a felfedezéseket gyakorlatra váltani,

from bench to bedside.

és elvinni a laborasztaltól a kórházi ágyig.

And me?

És mi az én szerepem mindebben?

I am only the maestro who orchestrated this beautiful symphony.

Én csak a karmester vagyok, aki vezényli ezt a gyönyörű szimfóniát.

Now, I am sure you are all wondering, aren't you,

Most Önökben bizonyára felmerül a kérdés:

will this help injured people?

"Jó, de fog ez segíteni a sérült embereken?"

Me too, every day.

Bennem is, nap mint nap.

The truth is that we don't know enough yet.

Az igazság az, hogy még nem tudunk eleget.

This is certainly not a cure for spinal cord injury,

A módszer nyilvánvalóan nem gyógyítja a gerincvelő-sérülést,

but I begin to believe that this may lead

de kezdek hinni benne, hogy elvezethet bennünket

to an intervention to improve recovery

olyan beavatkozáshoz, amivel gyorsítható a felépülés,

and people's quality of life.

és javítható a sérült életminősége.

I would like you all

Arra kérném Önöket,

to take a moment and dream with me.

hogy egy pillanatig álmodjanak velem.

Imagine a person just suffered a spinal cord injury.

Képzeljék, hogy valaki gerincsérülést szenvedett.

After a few weeks of recovery,

Néhány hét lábadozás után

we will implant a programmable pump

beültetünk a szervezetébe egy programozható kis szivattyút,

to deliver a personalized pharmacological cocktail

ami személyre szabott gyógyszerkeveréket juttat

directly to the spinal cord.

közvetlenül a gerincvelőjébe.

At the same time, we will implant an electrode array,

Ezzel együtt beültetünk egy elektródasort is,

a sort of second skin

egyfajta második bőrt,

covering the area of the spinal cord controlling leg movement,

ami lefedi a lábmozgásért felelős gerincvelő-területet,

and this array is attached to an electrical pulse generator

és ezeket az elektródákat összekapcsoljuk egy impulzusforrással,

that delivers stimulations that are tailored

ami az illető igényeihez igazított módon

to the person's needs.

bocsát ingerületeket erre a területre.

This defines a personalized electrochemical neuroprosthesis

Ez valójában egy személyre szabott elektrokémiai idegprotézis,

that will enable locomotion

ami egy újonnan tervezett felfüggesztőrendszer révén

during training with a newly designed supporting system.

lehetővé teszi a mozgást.

And my hope is that after several months of training,

Abban bízom, hogy pár hónapnyi tréning után

there may be enough remodeling of residual connection

olyan mennyiségű idegi kapcsolat épül tartósan újjá,

to allow locomotion without the robot,

hogy a robot nélkül - vagy akár gyógyszeres stimuláció nélkül -

maybe even without pharmacology or stimulation.

is lehetséges legyen a mozgás.

My hope here is to be able to create

Abban bízom, hogy képesek leszünk

the personalized condition

megfelelően személyre szabott körülményeket kialakítani

to boost the plasticity of the brain

az agy és a gerincvelő

and the spinal cord.

plasztikusságának fokozásához.

And this is a radically new concept

Ez a gyökeresen új koncepció,

that may apply to other neurological disorders,

amit én "személyre szabott idegprotézis"-nek hívok,

what I termed "personalized neuroprosthetics,"

akár más neurológiai rendellenességekre is alkalmazható.

where by sensing and stimulating neural interfaces,

Így az idegrendszer különböző részeibe,

I implanted throughout the nervous system,

az agyba, a gerincvelőbe

in the brain, in the spinal cord,

vagy akár a perifériális részekbe beültetett protézissel

even in peripheral nerves,

az idegvégződések érzékelése és ingerlése révén

based on patient-specific impairments.

a betegek egyedi problémáira szabható.

But not to replace the lost function, no --

De nem az elveszett funkció helyettesítésére, nem --

to help the brain help itself.

az agy segítésére, hogy önmaga tudjon segíteni.

And I hope this enticed your imagination,

Remélem, sikerült megmozgatnom a fantáziájukat,

because I can promise to you

mert biztosíthatom Önöket, hogy már nem az a kérdés,

this is not a matter of whether this revolution will occur,

hogy elkezdődik-e ez a forradalom,

but when.

hanem az, hogy mikor.

And remember, we are only as great

Ne feledjék: nagyságunknak csak

as our imagination, as big as our dream.

a képzeletünk, az álmaink szabnak határt!

Thank you.

Köszönöm.

(Applause)

(Taps)