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

Traduttore: Anna Cristiana Minoli Revisore: Andrea Giglio

Hello, everybody.

Buongiorno a tutti,

I brought with me today a baby diaper.

oggi ho portato con me un pannolino.

You'll see why in a second.

Tra un attimo vedrete perché.

Baby diapers have interesting properties.

I pannolini hanno proprietà interessanti.

They can swell enormously when you add water to them,

Possono gonfiarsi enormemente se aggiungete acqua,

an experiment done by millions of kids every day.

un esperimento fatto da milioni di bambini ogni giorno.

(Laughter)

(Risate)

But the reason why

Ma il motivo

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

è che sono progettati in modo molto intelligente.

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

Sono fatti di un materiale che si dilata.

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

È un materiale speciale che, aggiungendo acqua,

it will swell up enormously,

si dilata ernormemente,

maybe a thousand times in volume.

anche 1000 volte il suo volume.

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

È un tipo di polimero industriale molto utile.

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

Quello che stiamo cercando di fare nel mio gruppo al MIT

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

è capire se possiamo fare qualcosa di simile al cervello.

Can we make it bigger,

Possiamo ingrandirlo,

big enough that you can peer inside

tanto da poterci sbirciare dentro

and see all the tiny building blocks, the biomolecules,

e vedere tutti i mattoncini, le biomolecole,

how they're organized in three dimensions,

come sono organizzate in tre dimensioni,

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

la struttura vera e propria del cervello?

If we could get that,

Se potessimo farlo,

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

forse potremmo capire meglio come è organizzato il cervello

to yield thoughts and emotions

per raccogliere pensieri e emozioni,

and actions and sensations.

azioni e sensazioni.

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

Potremmo cercare di localizzare gli esatti cambiamenti nel cervello

that result in diseases,

che generano malattie,

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

malattie come l'Alzheimer, l'epilessia e il Parkinson,

for which there are few treatments, much less cures,

per cui ci sono pochi trattamenti, e molte meno cure,

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

e di cui, molto spesso, non sappiamo la causa o le origini

and what's really causing them to occur.

e cosa realmente le scateni.

Now, our group at MIT

Il nostro gruppo al MIT

is trying to take a different point of view

sta cercando un punto di vista diverso

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

da quello della neuroscienza degli ultimi cento anni.

We're designers. We're inventors.

Siamo designer. Siamo inventori.

We're trying to figure out how to build technologies

Stiamo cercando di capire come costruire tecnologie

that let us look at and repair the brain.

che ci facciano osservare e riparare il cervello.

And the reason is,

E il motivo è

the brain is incredibly, incredibly complicated.

che i cervello è incredibilmente complicato.

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

Quello che abbiamo imparato nell'ultimo secolo di neuroscienze

is that the brain is a very complicated network,

è che il cervello è una rete molto complicata,

made out of very specialized cells called neurons

fatta di cellule molto specializzate chiamate neuroni

with very complex geometries,

con geometrie molto complesse,

and electrical currents will flow through these complexly shaped neurons.

una corrente elettrica scorre attraverso questi neuroni dalle forme complesse.

Furthermore, neurons are connected in networks.

Inoltre, i neuroni sono collegati in reti.

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

Sono collegati da piccoli collegamenti chiamate sinapsi

che si scambiano elementi chimici

and allow the neurons to talk to each other.

e permettono ai neuroni di parlarsi.

The density of the brain is incredible.

La densità del cervello è incredibile.

In a cubic millimeter of your brain,

In un millimetro cubo del vostro cervello,

there are about 100,000 of these neurons

ci sono circa 100 000 neuroni

and maybe a billion of those connections.

e forse un miliardo di queste connessioni.

But it's worse.

Ma c'è di peggio.

So, if you could zoom in to a neuron,

Se si potesse zoomare su un neurone,

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

e, certo, questa è una rappresentazione artistica.

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

Vedreste migliaia e migliaia di tipi di biomolecole,

little nanoscale machines organized in complex, 3D patterns,

piccole macchine in nanoscala organizzate in schemi 3D complessi,

and together they mediate those electrical pulses,

e insieme mediano questi impulsi elettrici,

those chemical exchanges that allow neurons to work together

questi scambi chimici che permettono ai neuroni di lavorare insieme

to generate things like thoughts and feelings and so forth.

per generare cose come pensieri e sensazioni.

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

Non sappiamo come siano organizzati i neuroni nel cervello

to form networks,

per formare reti,

and we don't know how the biomolecules are organized

e non sappiamo come siano organizzate le biomolecole

within neurons

all'interno dei neuroni

to form these complex, organized machines.

per formare queste macchine complesse.

If we really want to understand this,

Se vogliamo veramente capirlo,

we're going to need new technologies.

ci serviranno nuove tecnologie.

But if we could get such maps,

Ma se potessimo avere queste mappe,

if we could look at the organization of molecules and neurons

se potessimo osservare l'organizzazione di molecole e neuroni

and neurons and networks,

e neuroni e reti,

maybe we could really understand how the brain conducts information

forse potremmo veramente capire come il cervello trasmette informazioni

from sensory regions,

dalle regioni sensoriali,

mixes it with emotion and feeling,

le mescola con emozioni e sentimenti,

and generates our decisions and actions.

e genera decisioni e azioni.

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

Forse potremmo definire l'esatta serie di cambiamenti molecolari che accadono

in a brain disorder.

in una malattia del cervello.

And once we know how those molecules have changed,

Una volta che sappiamo come sono cambiate queste molecole,

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

che ne sia aumentato il numero o che sia cambiato lo schema,

we could use those as targets for new drugs,

potremmo usarle come obiettivo di nuovi farmaci,

for new ways of delivering energy into the brain

per nuovi metodi per dare energia al cervello

in order to repair the brain computations that are afflicted

per riparare le elaborazioni del cervello colpite

in patients who suffer from brain disorders.

in pazienti che soffrono di malattie del cervello.

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

Abbiamo tutti visto diverse tecnologie del secolo scorso

to try to confront this.

per combattere tutto questo.

I think we've all seen brain scans

Credo abbiamo tutti visto le TAC al cervello

taken using MRI machines.

fatte tramite risonanza magnetica.

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

Naturalmente, hanno il grande pregio di essere non invasive,

they can be used on living human subjects.

possono essere usate su soggetti vivi.

But also, they're spatially crude.

Ma sono anche spazialmente molto grezze.

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

Ognuna di queste macchie che vedete, o voxel, come li chiamano,

can contain millions and millions of neurons.

può contenere milioni e milioni di neuroni.

So it's not at the level of resolution

Non è al livello di risoluzione

where it can pinpoint the molecular changes that occur

che può localizzare i cambiamenti molecolari

or the changes in the wiring of these networks

o i cambiamenti nelle comunicazioni di queste reti

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

che contribuiscono alla nostra capacità di esseri coscienti e potenti.

At the other extreme, you have microscopes.

All'altro estremo, ci sono i microscopi.

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

I microscopi useranno la luce per osservare cose minuscole.

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

Per secoli, sono stati usati per osservare cose come i batteri.

For neuroscience,

Per la neuroscienza,

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

i microscopi hanno consentito la scoperta dei neuroni,

about 130 years ago.

circa 130 anni fa.

But light is fundamentally limited.

Ma la luce è sostanzialmente limitata.

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

Non si vedono le singole molecole con un normale microscopio.

You can't look at these tiny connections.

Non si vedono le minuscole connessioni.

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

Se vogliamo aumentare la nostra capacità di analizzare il cervello,

to get down to the ground truth structure,

per andare fino alla struttura vera e propria,

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

ci serviranno tecnologie migliori.

My group, a couple years ago, started thinking:

Il mio gruppo, un paio di anni fa, ha cominciato a pensare:

Why don't we do the opposite?

perché non facciamo l'opposto?

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

Se è così complicato zoomare nel cervello,

why can't we make the brain bigger?

perché non ingrandiamo il cervello?

It initially started

È iniziato

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

con due studenti del mio gruppo, Fei Chen e Paul Tillberg.

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

Molti altri nel mio gruppo stanno aiutando.

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

Abbiamo deciso di cercare di capire se potevamo prendere polimeri,

like the stuff in the baby diaper,

quella roba dei pannolini,

and install it physically within the brain.

e installarli fisicamente nel cervello.

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

Se potessimo farlo bene, e aggiungete acqua,

you can potentially blow the brain up

potenzialmente si può far esplodere il cervello

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

al punto da poter distinguere le minuscole biomolecole.

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

Si vedrebbero le connessioni e si farebbe una mappa del cervello.

This could potentially be quite dramatic.

Potrebbe essere abbastanza drammatico.

We brought a little demo here.

Abbiamo portato una piccola demo.

We got some purified baby diaper material.

Abbiamo del materiale da pannolino purificato.

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

È molto più facile comprarlo su Internet

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

che estrarre i granellini dai pannolini.

I'm going to put just one teaspoon here

Ne metto qui solo un cucchiaino

of this purified polymer.

di questo polimero purificato.

And here we have some water.

Ecco qua un po' d'acqua.

What we're going to do

Quello che faremo

is see if this teaspoon of the baby diaper material

è vedere se questo cucchiaino di materiale da pannolino

can increase in size.

può aumentare in dimensione.

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

Lo vedrete aumentare di volume di circa 1000 volte

before your very eyes.

davanti ai vostri occhi.

I could pour much more of this in there,

Potrei versarne molto di più,

but I think you've got the idea

ma penso che renda l'idea

that this is a very, very interesting molecule,

che è una molecola molto interessante,

and if can use it in the right way,

se riesco a usarla nel modo giusto,

we might be able to really zoom in on the brain

potremmo essere in grado di zoomare nel cervello

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

come non si è mai fatto prima con le tecnologie del passato.

OK. So a little bit of chemistry now.

Ok. Ora un po' di chimica.

What's going on in the baby diaper polymer?

Cosa succede al polimero del pannolino?

If you could zoom in,

Potendo zoomare,

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

lo vedreste come appare sullo schermo.

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

I polimeri sono catene di atomi organizzate in linee lunghe e sottili.

The chains are very tiny,

Le catene sono minuscole,

about the width of a biomolecule,

la larghezza di una molecola,

and these polymers are really dense.

e questi polimeri sono molto densi.

They're separated by distances

Le separa

that are around the size of a biomolecule.

la dimensione di una biomolecola.

This is very good

Va molto bene

because we could potentially move everything apart in the brain.

perché potremmo potenzialmente spostare tutto nel cervello.

If we add water, what will happen is,

Se aggiungiamo acqua,

this swellable material is going to absorb the water,

questo materiale gonfiabile assorbirà l'acqua,

the polymer chains will move apart from each other,

le catene dei polimeri si allontaneranno tra loro,

and the entire material is going to become bigger.

e l'intero materiale diventerà più grande.

And because these chains are so tiny

E siccome queste catene sono molto piccole

and spaced by biomolecular distances,

e a distanze biomolecolari,

we could potentially blow up the brain

potremmo potenzialmente esplodere il cervello

and make it big enough to see.

e renderlo abbastanza grande da vedere.

Here's the mystery, then:

Allora, ecco il mistero:

How do we actually make these polymer chains inside the brain

come mettiamo queste catene di polimeri nel cervello

so we can move all the biomolecules apart?

in modo da allontanare le biomolecole?

If we could do that,

Se potessimo farlo,

maybe we could get ground truth maps of the brain.

potremmo ottenere una mappa realistica del cervello.

We could look at the wiring.

Potremmo analizzare i collegamenti.

We can peer inside and see the molecules within.

Possiamo osservare all'interno e vedere le molecole.

To explain this, we made some animations

Per spiegarlo, abbiamo fatto delle animazioni

where we actually look at, in these artist renderings,

in cui guardiamo, in queste rappresentazioni artistiche,

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

come potrebbero essere le biomolecole e come potremmo separarle.

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

Fase uno: quello che dovremmo fare, prima di tutto,

is attach every biomolecule, shown in brown here,

è connettere tutte le biomolecole, qui in marrone,

to a little anchor, a little handle.

a una piccola ancora, una piccola maniglia.

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

Dobbiamo allontanare le molecole del cervello,

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

e per fare questo, serve una piccola maniglia

that allows those polymers to bind to them

che permetta ai polimeri di attaccarsi

and to exert their force.

e esercitare la loro forza.

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

Un polimero di pannolino buttato nel cervello,

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

ovviamente, se ne starà lì sopra.

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

Dobbiamo trovare un modo di fare entrare il polimero.

And this is where we're really lucky.

Qui siamo fortunati.

It turns out, you can get the building blocks,

Si possono prendere i mattoni,

monomers, as they're called,

monomeri, come li chiamano,

and if you let them go into the brain

e se si lasciano andare nel cervello

and then trigger the chemical reactions,

e scatenare le reazioni chimiche,

you can get them to form those long chains,

si possono far formare lunghe catene,

right there inside the brain tissue.

proprio dentro il tessuto cerebrale.

They're going to wind their way around biomolecules

Si faranno strada intorno alle biomolecole

and between biomolecules,

e tra le biomolecole,

forming those complex webs

formando queste reti complesse

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

che permetteranno, alla fine, di allontanare le molecole

from each other.

l'una dall'altra.

And every time one of those little handles is around,

E ogni volta che compare una di queste maniglie,

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

i polimeri vi si attaccano, ed è quello che ci serve

in order to pull the molecules apart from each other.

per allontanare le molecole l'una dall'altra.

All right, the moment of truth.

Il momento della verità.

We have to treat this specimen

Dobbiamo trattare questo esemplare

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

con una sostanza chimica per allentare le molecole,

and then, when we add water,

e poi, quando aggiungiamo acqua,

that swellable material is going to start absorbing the water,

quel materiale dilatabile comincerà ad assorbirla,

the polymer chains will move apart,

le catene di polimeri si allontaneranno,

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

ma ora, le biomolecole arriveranno per il giretto.

And much like drawing a picture on a balloon,

È come disegnare su un pallone,

and then you blow up the balloon,

e poi gonfiare il pallone,

the image is the same,

l'immagine è la stessa,

but the ink particles have moved away from each other.

ma le particelle di inchiostro si sono allontanate l'una dall'altra.

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

Questo è quel che siamo riusciti a fare, ma in tre dimensioni.

There's one last trick.

C'è un ultimo trucco.

As you can see here,

Come vedete qui,

we've color-coded all the biomolecules brown.

abbiamo colorato tutte le biomolecole in marrone.

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

Questo perché si assomigliano tutte.

Biomolecules are made out of the same atoms,

Le biomolecole sono fatte degli stessi atomi,

but just in different orders.

solo in ordini diverso.

So we need one last thing

Ci serve un'ultima cosa

in order to make them visible.

per renderle visibili.

We have to bring in little tags,

Dobbiamo prendere delle piccole etichette,

with glowing dyes that will distinguish them.

di colore brillante che le distingua.

So one kind of biomolecule might get a blue color.

Un tipo di biomolecola potrebbe avere un blu.

Another kind of biomolecule might get a red color.

Un altro tipo di biomolecola potrebbe prendere il rosso.

And so forth.

E così via.

And that's the final step.

Questa è la fase finale.

Now we can look at something like a brain

Ora possiamo osservare un cervello

and look at the individual molecules,

e analizzare le singole molecole,

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

perché le abbiamo allontanate abbastanza l'una dall'altra

that we can tell them apart.

da poterle distinguere.

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

La speranza è rendere visibile l'invisibile.

We can turn things that might seem small and obscure

Possiamo trasformare cose apparentemente piccole e oscure

and blow them up

e esploderle

until they're like constellations of information about life.

finché non sono come costellazioni di informazioni sulla vita.

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

Ecco un video di come potrebbe essere.

We have here a little brain in a dish --

Qui abbiamo un piccolo cervello in un piattino --

a little piece of a brain, actually.

un pezzetto di cervello.

We've infused the polymer in,

Abbiamo infuso il polimero,

and now we're adding water.

ora aggiungiamo acqua.

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

Quello che vedrete è che davanti ai vostri occhi --

this video is sped up about sixtyfold --

questo video è accelerato di 60 volte --

this little piece of brain tissue is going to grow.

questo pezzetto di tessuto cerebrale crescerà.

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

Può aumentare di volume di 100 volte o anche di più.

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

La cosa bella è che siccome questi polimeri sono così piccoli,

we're separating biomolecules evenly from each other.

stiamo separando biomolecole uniformemente.

It's a smooth expansion.

È un'espansione fluida.

We're not losing the configuration of the information.

Non stiamo perdendo la configurazione delle informazioni.

We're just making it easier to see.

Lo rendiamo solo più facile da vedere.

So now we can take actual brain circuitry --

Ora possiamo prendere un vero circuito cerebrale --

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

Ecco un pezzo di cervello attinente alla memoria --

and we can zoom in.

possiamo zoomare.

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

Possiamo iniziare a osservare come sono configurati i circuiti.

Maybe someday we could read out a memory.

Magari un giorno potremo leggere la memoria.

Maybe we could actually look at how circuits are configured

Potremmo analizzare come sono configurati i circuiti

to process emotions,

nell'elaborazione delle emozioni,

how the actual wiring of our brain is organized

come sono organizzati i circuiti del nostro cervello

in order to make us who we are.

per renderci quello che siamo.

And of course, we can pinpoint, hopefully,

Naturalmente, possiamo definire, lo spero,

the actual problems in the brain at a molecular level.

i veri problemi del cervello a livello molecolare.

What if we could actually look into cells in the brain

E se potessimo osservare all'interno delle cellule cerebrali

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

e scorprire, ecco le 17 molecole alterate

in this brain tissue that has been undergoing epilepsy

in questo tessuto cerebrale che ha sofferto di epilessia

or changing in Parkinson's disease

o sono cambiate per i morbo di Parkinson

or otherwise being altered?

o sono cambiate per altri motivi?

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

Se otteniamo quella lista sistematica di cose che vanno storto,

those become our therapeutic targets.

quelli diventano i nostri target terapeutici.

We can build drugs that bind those.

Possiamo creare farmaci che li uniscono.

We can maybe aim energy at different parts of the brain

Forse possiamo puntare all'energia in diverse parti del cervello

in order to help people with Parkinson's or epilepsy

per aiutare la gente con il Parkinson o con l'epilessia

or other conditions that affect over a billion people

o altre malattie che colpiscono più di un miliardo di persone

around the world.

nel mondo.

Now, something interesting has been happening.

Accade qualcosa di interessante.

It turns out that throughout biomedicine,

Attraverso la biomedicina,

there are other problems that expansion might help with.

l'espansione potrebbe aiutare per altri problemi.

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

Questa è una biopsia di un cancro al seno di una paziente.

It turns out that if you look at cancers,

Osservando il cancro,

if you look at the immune system,

analizzando il sistema immunitario,

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

l'invecchiamento, lo sviluppo --

all these processes are involving large-scale biological systems.

tutti i processi coinvolgono sistemi biologici su larga scala.

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

Ma ovviamente, il problema inizia con queste molecole in nanoscala,

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

le macchine che fanno scattare le cellule e gli organi.

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

Stiamo cercando di capire

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

se possiamo usare queste tecnologia per mappare i mattoni della vita

in a wide variety of diseases.

in una vasta gamma di malattie.

Can we actually pinpoint the molecular changes in a tumor

Possiamo definire i cambiamenti molecolari in un tumore

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

in modo da dargli la caccia in modo intelligente

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

e somministrare medicinali

che potrebbero spazzare via le cellule giuste?

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

Molti medicinali sono ad alto rischio.

Sometimes, it's even guesswork.

Talvolta si va anche per tentativi.

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

La mia speranza è che si possa trasformare dei tentativi ad alto rischio

into something that's more reliable.

in qualcosa di più affidabile.

If you think about the original moon shot,

Se pensate al primo lancio sulla luna,

where they actually landed on the moon,

in cui sono poi atterrati sulla luna,

it was based on solid science.

era basato su scienza valida.

We understood gravity;

Abbiamo capito la gravità;

we understood aerodynamics.

abbiamo capito l'aerodinamica.

We knew how to build rockets.

Sapevamo come costruire razzi.

The science risk was under control.

I rischi scientifici erano sotto controllo.

It was still a great, great feat of engineering.

È stata comunque una grande impresa ingegneristica.

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

Ma in medicina,

non abbiamo necessariamente tutte le leggi.

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

Abbiamo tutte le leggi analoghe alla gravità,

that are analogous to aerodynamics?

analoghe all'aerodinamica?

I would argue that with technologies

Sono piuttosto dell'idea che con le tecnologie

like the kinds I'm talking about today,

del tipo di cui sto parlando oggi,

maybe we can actually derive those.

possiamo forse ricavarle.

We can map the patterns that occur in living systems,

Possiamo mappare gli schemi dei sistemi viventi,

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

e capire come sconfiggere le malattie che ci affliggono.

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

Mia moglie ed io abbiamo due bambini,

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

una delle mie speranze da bioingegnere

è rendere loro la vita migliore

than it currently is for us.

di quanto non lo sia per noi.

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

La mia speranza è, se possiamo trasformare la biologia e la medicina

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

da tentativi ad alto rischio controllati dal caso e dalla fortuna,

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

e trasformarle in cose che vinciamo con le capacità e il duro lavoro,

then that would be a great advance.

sarebbe un enorme progresso.

Thank you very much.

Grazie infinite.

(Applause)

(Applausi)