How we can use light to see deep inside our bodies and brains | Mary Lou Jepsen

Traduttore: Francesca Galdi Revisore: Wardy 48

La gente non si rende conto

che la luce rossa e la luce innocua, quasi a infrarossi

riescono ad attraversare una mano, proprio in questo modo.

People don't realize

that red light and benign near-infrared light

Questo potrebbe rendere le analisi mediche migliori, più economiche e più veloci.

go right through your hand, just like this.

La chiave sta nella nostra traslucidità.

This fact could enable better, faster and cheaper health care.

Vi mostrerò come sfruttiamo questo e altri due strumenti-chiave

per vedere all’interno del nostro corpo e del nostro cervello.

Our translucence is key here.

OK, per prima cosa...

I'm going to show you how we use this key and a couple of other keys

Vedete sulla mia mano il puntino creato da questo puntatore laser?

to see deep inside our bodies and brains.

La luce attraversa la mia mano,

OK, so first up ...

per favore, abbassiamo le luci,

You see this laser pointer and the spot it makes on my hand?

come vi ho già mostrato.

Non si vede più, però, il puntino laser.

The light goes right through my hand --

Vedete la mia mano brillare.

if we could bring the lights down, please --

Ciò dipende dalla luce che si espande, si disperde.

as I've already shown.

But you can no longer see that laser spot.

Devo spiegarvi cos’è la dispersione,

You see my hand glow.

per potervi mostrare come la si elimina

That's because the light spreads out, it scatters.

per poter vedere l’interno dei nostri corpi e cervelli.

I need you to understand what scattering is,

Allora, ho qui un pezzo di pollo.

so I can show you how we get rid of it

(Risate)

and see deep inside our bodies and brains.

È crudo.

Metto un paio di guanti.

So, I've got a piece of chicken back here.

Ha le stesse proprietà ottiche della carne umana.

(Laughter)

It's raw.

Putting on some gloves.

Dunque, ecco il pollo, lo metto sulla luce.

It's got the same optical properties as human flesh.

Vedete come la luce riesce ad attraversarlo?

So, here's the chicken ... putting it on the light.

Ho anche inserito un tumore nel pollo.

Riuscite a vederlo?

Can you see, the light goes right through?

Pubblico: Sì.

Mary Lou Jepsen: Ciò significa che con la luce rossa e infrarossa

I also implanted a tumor in that chicken.

possiamo vedere i tumori nella carne umana.

Can you see it?

Audience: Yes.

Mary Lou Jepsen: So this means, using red light and infrared light,

C’è un problema, però.

Se ci metto sopra un altro pezzo di pollo,

we can see tumors in human flesh.

la luce lo attraversa ancora,

But there's a catch.

ma non si riesce più a vedere il tumore.

When I throw another piece of chicken on it,

Dipende dalla dispersione della luce.

the light still goes through,

Dobbiamo quindi fare qualcosa a riguardo

but you can no longer see the tumor.

per poter vedere il tumore.

That's because the light scatters.

Dobbiamo invertire la dispersione della luce.

So we have to do something about the scatter

Allora...

so we can see the tumor.

Una tecnologia a cui ho lavorato all’inizio della mia carriera

We have to de-scatter the light.

inverte la dispersione.

Si chiama olografia.

So ...

Ha vinto il Premio Nobel per la fisica negli anni Settanta

A technology I spent the early part of my career on

per le cose meravigliose che permette di fare con la luce.

enables de-scattering.

It's called holography.

And it won the Nobel Prize in physics in the 70s,

Questo è un ologramma.

Cattura tutta la luce, tutti i raggi e tutti i fotoni

because of the fantastic things it enables you to do with light.

in tutte le posizioni e gli angoli, simultaneamente.

This is a hologram.

It captures all of the light, all of the rays, all of the photons

È fantastico.

Per capire cosa si riesce a fare con l’olografia...

at all of the positions and all of the angles, simultaneously.

Vedete queste biglie?

Guardate come rimbalzano sulle barriere,

It's amazing.

To see what we can do with holography ...

avviene lo stesso alla luce: si disperde nel nostro corpo.

You see these marbles?

Quando raggiungono il fondo del labirinto di dispersione,

Look at these marbles bouncing off of the barriers,

as an analogy to light being scattered by our bodies.

le biglie sono caotiche e si disperdono ovunque.

As the marbles get to the bottom of the scattering maze,

Se registriamo un ologramma sul fondo dello schermo, all’interno,

they're chaotic, they're scattering and bouncing everywhere.

registreremo la posizione e l’angolazione di ogni biglia all’uscita del labirinto.

If we record a hologram at the bottom inside of the screen,

E potremo poi introdurre delle biglie dal basso

we can record the position and angle of each marble exiting the maze.

e far dirigere ogni biglia dall’ologramma nella giusta posizione e angolazione,

And then we can bring in marbles from below

in modo da farle emergere in una fila in cima alla matrice di dispersione.

and have the hologram direct each marble to exactly the right position and angle,

Lo faremo con questo.

such as they emerge in a line at the top of the scatter matrix.

Questo è otticamente simile al cervello umano

Ora userò una luce verde,

We're going to do that with this.

This is optically similar to human brain.

perché la luce verde appare più luminosa del rosso e del vicino infrarosso,

e serve che vediate bene.

I'm going to switch to green light now,

Metteremo un ologramma davanti a questo cervello

because green light is brighter to your eyes than red or infrared,

e ne faremo uscire un fascio di luce.

and I really need you to see this.

So we're going to put a hologram in front of this brain

Sembra impossibile, ma non lo è.

Questo è il sistema che vedrete.

and make a stream of light come out of it.

Luce verde.

Seems impossible but it isn't.

L’ologramma va qui, la luce verde va dentro,

e dal “cervello”

This is the setup you're going to see.

viene fuori un fascio di luce.

Green light.

Hologram here, green light going in,

Abbiamo fatto uscire un raggio da un tessuto fortemente dispersivo.

that's our brain.

And a stream of light comes out of it.

Sembra impossibile, nessuno l’ha mai fatto prima,

We just made a brain lase of densely scattering tissue.

siete il primo pubblico che vede questa cosa.

(Applausi)

Seems impossible, no one's done this before,

you're the first public audience to ever see this.

Questo significa che possiamo mettere a fuoco i tessuti in profondità.

(Applause)

La nostra traslucidità è la prima chiave.

L’olografia per invertire la dispersione è la seconda chiave

What this means is that we can focus deep into tissue.

che ci permette di vedere in profondità nel corpo e nel cervello.

Our translucency is the first key.

Holography enabling de-scattering is the second key

Voi starete pensando:

“Sembra bello, ma che si fa con il cranio e con le ossa?

to enable us to see deep inside of our bodies and brains.

Come si fa a vedere nel cervello senza vedere attraverso le ossa?”

You're probably thinking,

Beh, questo è un vero osso cranico.

"Sounds good, but what about skull and bones?

Lo abbiamo ordinato su skullsunlimited.com.

How are you going to see through the brain without seeing through bone?"

(Risate)

Sul serio.

Well, this is real human skull.

Ma lo trattiamo con gran rispetto nel nostro laboratorio e qui a TED.

We ordered it at skullsunlimited.com.

E come potete vedere,

(Laughter)

No kidding.

la luce rossa lo attraversa perfettamente.

But we treat this skull with great respect at our lab and here at TED.

Attraversa le nostre ossa.

Quindi possiamo attraversare cranio, ossa e carne con semplice luce rossa.

And as you can see,

the red light goes right through it.

Anche i raggi gamma e i raggi X lo fanno, ma essi provocano tumori.

Goes through our bones.

So we can go through skull and bones and flesh with just red light.

La luce rossa è tutt’intorno a noi.

Usando questa cosa, tornerò qui

Gamma rays and X-rays do that, too, but they cause tumors.

e vi mostrerò qualcosa di più utile dell’emissione di un raggio dal cervello.

Red light is all around us.

Volevamo scoprire con quanto dettaglio potessimo mettere a fuoco nel cervello.

So, using that, I'm going to come back here

and show you something more useful than making a brain lase.

Per la messa a fuoco in questo cervello,

il livello di dettaglio era così fine che abbiamo usato una fotocamera scoperta.

We challenged ourselves to see how fine we could focus through brain tissue.

E questa fotocamera a dado...

Focusing through this brain,

it was such a fine focus, we put a bare camera die in front of it.

Potreste abbassare la luce?

Ok, ecco qui.

And the bare camera die ...

Vedete?

Ogni pixel è largo due millesimi di millimetro.

Could you turn down the spotlight?

OK, there it is.

Due micron.

Dunque il punto di messa a fuoco, la sua ampiezza a metà altezza,

Do you see that?

Each pixel is two-thousandths of a millimeter wide.

è tra i sei e gli otto micron.

Per darvi un’idea di cosa significa:

Two microns.

That means that spot focus -- full width half max --

è il diametro del neurone più piccolo nel cervello umano.

is six to eight microns.

Quindi possiamo mettere a fuoco un neurone attraverso il cranio e il cervello.

To give you an idea of what that means:

that's the diameter of the smallest neuron in the human brain.

Nessuno l’ha mai visto prima, lo stiamo facendo qui per la prima volta.

So that means we can focus through skull and brain to a neuron.

Non è impossibile.

(Applausi)

Ci siamo riusciti con il nostro sistema, arrivando a una svolta.

No one has seen this before, we're doing this for the first time here.

(Risate)

It's not impossible.

Giusto per darvi un’idea, non sono soltanto 50 biglie.

(Applause)

We made it work with our system, so we've made a breakthrough.

Si tratta di miliardi, triliardi di fotoni,

(Laughter)

tutti messi in fila come indicato dall’ologramma,

Just to give an idea -- like, that's not just 50 marbles.

per rimbalzare nel cervello densamente dispersivo

That's billions, trillion of photons,

all falling in line as directed by the hologram,

ed emergere come immagine a fuoco.

to ricochet through densely scattering brain,

È sorprendente.

Ne siamo emozionati.

Questa è una macchina per risonanza.

and emerge as a focus.

Costa milioni, occupa un’intera stanza,

It's pretty cool.

molte persone ci saranno state dentro.

Io ci ho passato molto tempo.

We're excited about it.

This is an MRI machine.

Ha una messa a fuoco di circa un millimetro,

It's a few million dollars, it fills a room,

piuttosto grossolana, rispetto a ciò che vi ho appena mostrato.

many people have probably been in one.

Un sistema basato sulla nostra tecnologia potrebbe ridurre drasticamente i costi,

I've spent a lot of time in one.

It has a focus of about a millimeter --

kind of chunky, compared to what I just showed you.

aumentare la risoluzione,

e ridurre le dimensioni delle immagini diagnostiche.

A system based on our technology could enable dramatically lower cost,

Abbiamo iniziato a farlo.

Io e la mia squadra abbiamo costruito un congegno per laboratorio

higher resolution

and smaller medical imaging.

per esaminare i tessuti.

So that's what we've started to do.

Ed eccolo in azione.

My team and I have built a rig, a lab rig

Volevamo vedere cosa saremmo riusciti a fare.

to scan out tissue.

L’abbiamo costruito nel corso di un anno.

And here it is in action.

E il risultato è

We wanted to see how good we could do.

che siamo in grado di individuare tumori

We've built this over the last year.

in questo campione,

a 70 millimetri di profondità, con la luce che lo attraversa,

And the result is,

we're able to find tumors

con una risoluzione di mezzo millimetro,

e questo è il tumore individuato.

in this sample --

Dunque, adesso starete pensando:

70 millimeters deep, the light going in here,

“Sembra bello, ma è un sistema piuttosto grosso.

half a millimeter resolution,

and that's the tumor it found.

È più piccolo di un’enorme macchina per risonanza magnetica,

You're probably looking at this,

like, "Sounds good, but that's kind of a big system.

che è mostruosamente grande,

ma si può fare qualcosa per rimpicciolirlo?”

It's smaller than a honking-big MRI machine,

E la risposta è: certamente.

Possiamo sostituire ogni elemento ingombrante del sistema

monster MRI machine,

but can you do something to shrink it down?"

con un componente più piccolo,

un piccolo circuito integrato,

And the answer is:

of course.

un chip grande quanto un’unghia di un bambino.

We can replace each big element in that system

with a smaller component --

Qualche parola su di me:

a little integrated circuit,

ho passato gli ultimi vent’anni ad inventare, sviluppare prototipi

a display chip the size of a child's fingernail.

e poi spedire miliardi di dollari in strumenti elettronici,

A bit about my background:

I've spent the last two decades inventing, prototype-developing

con chip totalmente personalizzati,

all’avanguardia della fisica ottica.

and then shipping billions of dollars of consumer electronics --

Io e la mia squadra abbiamo costruito quella grande apparecchiatura

with full custom chips --

on the hairy edge of optical physics.

per perfezionare la nostra architettura, testare i casi estremi,

So my team and I built the big lab rig

e perfezionare i progetti dei nostri chip,

prima di spendere milioni di dollari per produrre ogni chip.

to perfect our architecture and test the corner cases

I nuovi chip di nostra invenzione rendono il sistema più piccolo, più veloce

and really fine-tune our chip designs,

before spending the millions of dollars to fabricate each chip.

e permettono di effettuare rapidamente analisi e dispersione inversa della luce

Our new chip inventions slim down the system, speed it up

per vedere in profondità nel corpo.

È il terzo strumento-chiave per analisi migliori, più rapide ed economiche.

and enable rapid scanning and de-scattering of light

to see deep into our bodies.

Dunque...

This is the third key to enable better, faster and cheaper health care.

Questo è un modello di qualcosa che può sostituire la funzionalità

di una macchina per risonanza da milioni di dollari

This is a mock-up of something that can replace the functionality

al prezzo di un comune dispositivo elettronico,

che potreste indossare come fasciatura, in un cappello oppure in un cuscino.

of a multimillion-dollar MRI machine

into a consumer electronics price point,

Questo è ciò che stiamo costruendo.

(Applausi)

that you could wear as a bandage, line a ski hat, put inside a pillow.

Oh, grazie!

(Applausi)

Ora starete pensando:

That's what we're building.

“Capisco che la luce attraversa il corpo.

(Applause)

Oh, thanks!

(Applause)

Capisco anche l’olografia per la dispersione inversa.

So you're probably thinking,

Ma, esattamente, come usiamo queste nuove invenzioni

"I get the light going through our bodies.

per fare una scansione?”

I even get the holography de-scattering the light.

Beh, abbiamo un approccio sonoro.

Cioè, produciamo dei suoni.

But how do we use these new chip inventions, exactly,

Ecco. Questi tre dischi rappresentano i circuiti integrati

to do the scanning?"

Well, we have a sound approach.

che abbiamo progettato,

No, literally -- we use sound.

che riducono drasticamente la dimensione dell’ingombrante sistema attuale.

Here, these three discs represent the integrated circuits

Uno dei cerchi, uno dei chip, emette un segnale sonoro,

that we've designed,

that massively reduce the size of our current bulky system.

e mette a fuoco,

e poi accendiamo la luce rossa.

One of the spots, one of the chips, emits a sonic ping,

E la luce rossa che attraversa quella zona sonora

and it focuses down,

cambia leggermente colore,

and then we turn red light on.

proprio come cambia la tonalità di una sirena della polizia

And the red light that goes through that sonic spot

quando ti sfreccia accanto.

changes color slightly,

Dunque.

C’è un’altra cosa sull’olografia che non vi ho detto ancora

much like the pitch of the police car siren changes

as it speeds past you.

e che dovete sapere.

Solo due raggi dello stesso esatto colore possono creare un ologramma.

So.

There's this other thing about holography I haven't told you yet,

Dunque, questa è la luce arancione che esce dalla zona sonora,

that you need to know.

Only two beams of exactly the same color can make a hologram.

che ha cambiato leggermente colore,

e noi creiamo un disco luminoso di luce arancione

So, that's the orange light that's coming off of the sonic spot,

al di sotto di un chip vicino

e poi registriamo un ologramma sul sensore di immagini.

that's changed color slightly,

and we create a glowing disc of orange light

Così.

Da quell’ologramma ricaviamo informazioni soltanto su quella zona sonora,

underneath a neighboring chip

and then record a hologram on the camera chip.

perché eliminiamo tutta la luce rossa.

Like so.

From that hologram, we can extract information just about that sonic spot,

Poi possiamo opzionalmente dirigere la luce di nuovo nel cervello

because we filter out all of the red light.

per stimolare un neurone o una parte del cervello.

E poi possiamo spostare il punto focale sonoro da un’altra parte.

Then, we can optionally focus the light back down into the brain

to stimulate a neuron or part of the brain.

E così, punto per punto, scansioniamo il cervello.

And then we move on to shift the sonic focus to another spot.

I nostri chip decodificano ologrammi

un po’ come fece Rosalind Franklin con questa iconica diffrazione a raggi X

And that way, spot by spot, we scan out the brain.

Our chips decode holograms

per rivelare la struttura del DNA per la prima volta.

a bit like Rosalind Franklin decoded this iconic image of X-ray diffraction

Noi lo facciamo elettronicamente con i nostri chip,

registrando l’immagine e decodificando l’informazione,

to reveal the structure of DNA for the first time.

in un milionesimo di secondo.

We're doing that electronically with our chips,

Scansioniamo velocemente.

recording the image and decoding the information,

Il nostro sistema può essere straordinario per individuare il sangue.

in a millionth of a second.

Questo perché il sangue assorbe la luce rossa e infrarossa.

We scan fast.

Il sangue è rosso.

Our system may be extraordinary at finding blood.

Questo è un becher di sangue.

Vi faccio vedere.

And that's because blood absorbs red light and infrared light.

E qui c’è il nostro laser, che ci passa dritto attraverso.

Blood is red.

È davvero un laser, potete vederlo... eccolo qui.

Here's a beaker of blood.

I'm going to show you.

Rispetto al mio pezzo di carne,

And here's our laser, going right through it.

in cui potete vedere che la luce va dappertutto.

It really is a laser, you can see it on the -- there it is.

Vediamolo di nuovo, col sangue.

In comparison to my pound of flesh,

Questo è fondamentale: il sangue assorbe la luce,

where you can see the light goes everywhere.

la carne disperde la luce.

So let's see that again, blood.

Questo è importante,

This is really key: blood absorbs light,

perché ogni tumore più grande di uno o due millimetri cubi

flesh scatters light.

ha cinque volte la quantità di sangue della carne normale.

This is significant,

because every tumor bigger than a cubic millimeter or two

Con il nostro sistema, si può immaginare di individuare i tumori presto,

has five times the amount of blood as normal flesh.

quando è facile intervenire,

o monitorare le dimensioni del tumore mentre cresce o si riduce.

So with our system, you can imagine detecting cancers early,

Inoltre il nostro sistema sarebbe ottimo per individuare dove non c’è sangue,

when intervention is easy,

or tracking the size of your tumor as it grows or shrinks.

come in un’arteria ostruita,

o il cambio di colore del sangue

Our system also should be extraordinary at finding out where blood isn't,

che trasporta ossigeno rispetto a quello che non lo fa,

che è un modo per misurare l’attività neurale.

like a clogged artery,

or the color change in blood

C’è un detto secondo cui “la luce solare” è il miglior disinfettante.

as it carries oxygen versus not carrying oxygen,

which is a way to measure neural activity.

È letteralmente così.

I ricercatori sconfiggono la polmonite introducendo della luce nei polmoni.

There's a saying that "sunlight" is the best disinfectant.

It's literally true.

Con il nostro sistema si potrebbe fare in modo non invasivo.

Researchers are killing pneumonia in lungs by shining light deep inside of lungs.

Vi farò altri tre esempi di cosa può fare questa tecnologia.

Our system could enable this noninvasively.

Numero uno: l’ictus.

Ci sono due principali tipi di ictus:

Let me give you three more examples of what this technology can do.

quello causato dalle occlusioni

e quello causato dalle rotture.

One: stroke.

Se si riesce a determinare il tipo di ictus entro una o due ore,

There's two major kinds of stroke:

the one caused by clogs

si può somministrare un farmaco che riduce di molto il danno al cervello.

and another caused by rupture.

If you can determine the type of stroke within an hour or two,

Con il farmaco sbagliato,

il paziente muore.

you can give medication to massively reduce the damage to the brain.

Oggi, questo significa fare una risonanza entro una o due ore dall’ictus.

Get the drug wrong,

Domani, con sistemi compatti, portatili ed economici per le immagini diagnostiche,

and the patient dies.

Today, that means access to an MRI scanner within an hour or two of a stroke.

ogni ambulanza e ogni clinica potrà individuare il tipo di ictus

e applicare la terapia corretta in tempo.

Tomorrow, with compact, portable, inexpensive imaging,

(Applausi)

every ambulance and every clinic can decode the type of stroke

Grazie.

and get the right therapy on time.

Numero due:

due terzi dell’umanità non ha accesso alla diagnostica per immagini.

(Applause)

Thanks.

Sistemi compatti, portatili ed economici possono salvare innumerevoli vite.

Two:

two-thirds of humanity lacks access to medical imaging.

E numero tre:

la comunicazione cervello-computer.

Compact, portable, inexpensive medical imaging can save countless lives.

Il sistema che ho mostrato mette a fuoco attraverso il cranio e il cervello

And three:

fino al diametro del più piccolo neurone.

brain-computer communication.

Usando la luce e il suono, si possono attivare o inibire i neuroni,

I've shown here onstage our system focusing through skull and brain

to the diameter of the smallest neuron.

e, allo stesso tempo, possiamo riprodurre in tutto e per tutto

la risoluzione di una macchina per risonanza magnetica,

Using light and sound, you can activate or inhibit neurons,

che misura l’utilizzo di ossigeno nel cervello.

and simultaneously, we can match spec by spec

Lo facciamo osservando il cambio di colore del sangue,

the resolution of an fMRI scanner,

piuttosto che usando un magnete da due tonnellate.

which measures oxygen use in the brain.

Quindi, potete immaginare che oggi, con la risonanza,

We do that by looking at the color change in the blood,

rather than using a two-ton magnet.

possiamo decodificare le parole pensate, le immagini e i sogni dei soggetti.

So you can imagine that with fMRI scanners today,

Stiamo lavorando a un sistema che mette tutte e tre queste funzionalità

we can decode the imagined words, images and dreams of those being scanned.

nello stesso sistema:

leggere e scrivere nei neuroni con la luce e con il suono,

We're working on a system that puts all three of these capabilities

e allo stesso tempo mappare l’uso di ossigeno nel cervello,

into the same system --

tutte insieme in un sistema portatile non invasivo

neural read and write with light and sound,

che permette la comunicazione cervello-computer,

while simultaneously mapping oxygen use in the brain --

senza impianti, senza operazioni, senza interventi facoltativi al cervello.

all together in a noninvasive portable

Questo può essere di grande aiuto

that can enable brain-computer communication,

per i due miliardi di persone al mondo che soffrono di patologie al cervello.

no implants, no surgery, no optional brain surgery required.

(Applausi)

This can do enormous good

for the two billion people that suffer globally with brain disease.

Mi chiedono quale sia il limite di profondità.

E la risposta è: si può fare in tutto il corpo.

(Applause)

Ma lo si può vedere in un altro modo.

People ask me how deep we can go.

And the answer is: the whole body's in reach.

(Risate)

Mi si è illuminata tutta la testa, volete rivederlo?

But here's another way to look at it.

Pubblico: Sì!

(Risate)

MLJ: Sembra spaventoso, ma non lo è.

(Laughter)

My whole head just lit up, you want to see it again?

Ciò che è davvero spaventoso è non conoscere il nostro corpo,

Audience: Yes!

il nostro cervello e le nostre malattie

(Laughter)

per poterle trattare efficacemente.

MLJ: This looks scary, but it's not.

Questa tecnologia può aiutarci.

What's truly scary is not knowing about our bodies,

Grazie.

(Applausi)

our brains and our diseases

so we can effectively treat them.

Vi ringrazio.

This technology can help.

Thank you.

(Applausi)

(Applause)

Thank you.

(Applause)