Ed Boyden: A light switch for neurons

Traduttore: Daniele Buratti Revisore: Els De Keyser

Pensateci un attimo.

Think about your day for a second.

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

Vi alzate al mattino, uscite di casa, aria fresca in viso,

encountered new colleagues and had great discussions

incontrate nuovi colleghi e fate avvincenti conversazioni,

e provate meraviglia per qualche novità.

and felt in awe when you found something new.

Ma scommetto che oggi non avete pensato a qualcosa --

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

qualcosa così vicino a casa vostra

something so close to home,

che probabilmente non è l'oggetto abituale dei vostri pensieri.

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

Sono tutte quelle sensazioni, sentimenti,

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

decisioni e azioni

che vengono mediate da quel computer

are mediated by the computer in your head

chiamato cervello.

called your brain.

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

A prima vista non sembra quel gran che --

un chilo di materia grigio-rosacea,

a couple pounds of pinkish-gray flesh,

amorfa --

amorphous.

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

ma grazie a 200 anni di neuroscienza

siamo potuti penetrare al suo interno

and to see the intricacy of what lies within.

e ne abbiamo constatato la complessità.

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

Sappiamo che il cervello

è un circuito incredibilmente complicato

made out of hundreds of billions of cells called neurons.

costituito da centinaia di miliardi di cellule chiamate neuroni.

Now, unlike a human-designed computer,

Ora al contrario dei computer concepiti dall'uomo,

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

costituiti da un numero limitato di componenti --

e sappiamo come funzionano perché li costruiamo noi --

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

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

il cervello è costituito da migliaia di tipi diversi di cellule,

forse decine di migliaia.

maybe tens of thousands.

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

Hanno forme diverse; hanno molecole diverse;

e si collegano con aree cerebrali distinte.

they project and connect to different brain regions.

E si modificano in modi diversi se si hanno differenti patologie.

They also change in different ways in different disease states.

In pratica

Let's make it concrete.

There's a class of cells,

c'è una classe di cellule,

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

cellule piuttosto piccole, inibitrici, che fanno calmare le loro vicine.

Cellule che sembrano essere atrofizzate in patologie come la schizofrenia.

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

in disorders like schizophrenia.

It's called the basket cell.

Vengono chiamate cellule a canestro.

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

E sono solo alcune delle migliaia di tipi diversi di cellule

che stiamo cominciando a conoscere.

that we're learning about.

New ones are being discovered every day.

Se ne scoprono di nuove ogni giorno.

Un altro esempio:

As just a second example:

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

queste cellule grandi, di forma piramidale,

si trovano in ampie sezioni del cervello.

of the brain.

Sono le cellule eccitatorie.

They're excitatory.

Sono quelle che potrebbero essere

And these are some of the cells that might be overactive

iperattive in patologie come l'epilessia.

in disorders such as epilepsy.

Ognuna di queste cellule

Every one of these cells is an incredible electrical device.

è un incredibile apparato elettrico.

They receive inputs from thousands of upstream partners

Ricevono segnali da migliaia di altre cellule

e calcolano la quantità di emissione elettrica

and compute their own electrical outputs,

which then, if they pass a certain threshold,

che, al superamento di una certa soglia,

verrà trasmessa a migliaia di altre cellule.

will go to thousands of downstream partners.

Questo processo dura circa un millisecondo

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

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

e si ripete per migliaia di volte al minuto

in ognuna dei nostri 100 miliardi di cellule

as long as you live and think and feel.

per tutta la nostra vita,

quando pensiamo e quando sentiamo.

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

Ma in che modo possiamo capire il funzionamento di questo circuito?

Idealmente si potrebbe entrare nel circuito

Ideally, we could go through this circuit

e attivare o disattivare i vari tipi di cellule

and turn these different kinds of cell on and off

and see whether we could figure out

per cercare di capire

which ones contribute to certain functions

quali contribuiscano a certe funzioni

and which ones go wrong in certain pathologies.

e quali non funzionino con certe patologie.

Se le potessimo attivare potremmo vedere quale energia possono liberare,

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

ciò che possono iniziare e mantenere.

what they can initiate and sustain.

Se le si potesse disattivare,

If we could turn them off,

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

allora si potrebbe capire per cosa sono necessarie.

Ecco una storia che vi voglio raccontare.

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

Di fatto quello che è successo negli ultimi 11 anni,

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

cercando di trovare il modo

through an attempt to find ways

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

di attivare e disattivare circuiti, cellule, parti e percorsi

del cervello,

on and off,

sia per capire la scienza

both to understand the science

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

che per affrontare alcune delle tematiche

che riguardano il genere umano.

Now, before I tell you about the technology,

Ma prima di parlarvi della tecnologia,

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

la cattiva notizia è che molti di noi in questa sala

se vivremo abbastanza a lungo,

if we live long enough,

will encounter, perhaps, a brain disorder.

potranno andare incontro a disturbi mentali.

Già un miliardo di persone

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

ha avuto un qualche tipo di disturbo

che li ha resi disabili.

that incapacitates them.

The numbers don't do it justice, though.

Ma i numeri non sono sufficienti.

These disorders -- schizophrenia, Alzheimer's,

Questi disturbi - la schizofrenia, l'Alzheimer,

la depressione, le dipendenze --

depression, addiction --

they not only steal away our time to live,

non solo ci rubano la vita, ma anche la nostra identità;

they change who we are.

They take our identity and change our emotions

cambiano quella e anche le nostre emozioni --

and change who we are as people.

e ci cambiano come persone.

Now, in the 20th century,

Nel 20° secolo

si erano accese delle speranze

there was some hope that was generated

through the development of pharmaceuticals for treating brain disorders.

con lo sviluppo di farmaci per la cura dei disturbi mentali.

Ma sebbene molti farmaci abbiano il potere

And while many drugs have been developed

that can alleviate symptoms of brain disorders,

di alleviare i sintomi,

in pratica nessuno consente la guarigione.

practically none of them can be considered to be cured.

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

In parte il motivo è che inondiamo il cervello di sostanze chimiche.

we're bathing the brain in a chemical --

Questo elaborato circuito

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

costituito da migliaia di cellule differenti

viene immerso in una sostanza.

is being bathed in a substance.

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

E' questo il motivo per cui la maggior parte dei farmaci, se non tutti,

possono avere effetti collaterali anche gravi.

can present some kind of serious side effect too.

Alcuni pazienti hanno provato sollievo grazie

Now some people have gotten some solace from electrical stimulators

a stimolatori elettrici impiantati nel cervello.

that are implanted in the brain,

for Parkinson's disease or cochlear implants.

Per il morbo di Parkinson,

degli impianti cocleari

These have indeed been able to bring some kind of remedy

hanno in qualche modo

aiutato dei pazienti

to people with certain kinds of disorders.

con diversi tipi di disturbi.

But electricity also will go in all directions --

Ma l'elettricità può andare in tutte le direzioni --

the path of least resistance --

segue il percorso di minor resistenza,

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

da cui forse l'origine della parola.

and will also affect normal circuits,

E ha ripercussioni sia sui circuiti normali che su quelli anomali che vogliamo curare.

as well as the abnormal ones you want to fix.

Questo ci rimanda al concetto

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

di controllo ad alta precisione.

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

Saremmo in grado di inviare istruzioni esattamente dove vogliamo?

Dunque quando ho iniziato la carriera in questo settore 11 anni fa

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

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

avevo una preparazione da ingegnere elettrico e fisico,

the first thing I thought about was,

e la prima cosa a cui ho pensato era che

if these neurons are electrical devices,

se questi neuroni erano degli apparati elettrici,

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

allora bastava trovare il modo

di stimolare in remoto quei cambiamenti elettrici.

at a distance.

Se potessimo attivare l'elettricità in una cellula,

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

e solo in quella,

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

avremmo lo strumento per poter attivare e disattivare cellule diverse,

capirne il funzionamento e il loro apporto

to figure out what they do

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

alle reti di trasmissione di cui fanno parte.

E potremmo ottenere quel controllo ultra preciso

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

così da ripristinare la capacità di elaborazione

to fix the circuit computations that have gone awry.

che era stata compromessa.

Now, how are we going to do that?

Ma come ci possiamo riuscire?

Well, there are many molecules that exist in nature

Beh, in natura esistono molte molecole

in grado di convertire la luce in elettricità.

which are able to convert light into electricity.

Potete immaginarle come piccole proteine

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

che funzionano come le cellule solari.

If we install these molecules in neurons somehow,

Se potessimo installarle in qualche modo nei neuroni,

then these neurons would become electrically drivable with light,

allora questi neuroni si potrebbero manovrare tramite la luce.

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

Mentre i loro vicini che non hanno quella molecola non ne risentirebbero.

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

Ma c'è bisogno di un'altra magia per poter realizzare tutto questo,

ed è la capacità di far giungere la luce al cervello.

the ability to get light into the brain.

The brain doesn't feel pain.

Per poterlo fare -- il cervello non avverte dolore -- si inseriscono --

Taking advantage of all the effort

sfruttando le potenzialità offerte

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

da Internet e dalla tecnologia delle comunicazioni --

you can put optical fibers connected to lasers

delle fibre ottiche collegate a laser

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

che attivano, ad esempio nelle cavie di laboratorio,

negli studi preclinici,

these neurons and see what they do.

dei neuroni, per poterne studiare le reazioni.

Ma come si fa?

So how do we do this?

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

Nel 2004,

lavorando con Gerhard Nagel e Karl Deisseroth,

this vision came to fruition.

la nostra visione cominciò a prendere forma.

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

Esiste un tipo di alga che si muove liberamente in acqua,

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

e ha bisogno di navigare verso la luce

per poter effettuare la fotosintesi.

And it senses light with a little eyespot,

Recepisce la luce usando un occhiolino

which works not unlike how our eye works.

che funziona grosso modo come il nostro occhio.

In its membrane, or its boundary,

Nella membrana che la avvolge

it contains little proteins

contiene piccole proteine

che possono tramutare la luce in elettricità.

that indeed can convert light into electricity.

Queste molecole sono le channelrhodopsin.

These molecules are called channelrhodopsins.

And each of these proteins acts just like that solar cell

Ognuna di esse si comporta esattamente come una fotocellula.

that I told you about.

Quando vengono colpite dalla luce blu si apre un forellino

When blue light hits it,

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

che fa entrare le particelle cariche attraverso il piccolo occhio.

In questo modo l'occhiolino riceve un segnale elettrico

that allows this eyespot to have an electrical signal,

come la fotocellula che carica una batteria.

just like a solar cell charging a battery.

So what we need to do is take these molecules

Dunque basta prendere queste molecole

e installarle nei neuroni.

and somehow install them in neurons.

And because it's a protein,

E dato che si tratta di una proteina,

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

essa porta con sé il DNA di questo organismo.

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

Perciò è sufficiente prendere quel DNA,

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

inserirlo in una specie di vettore di terapia come un virus,

and put it into neurons.

e inocularlo nei neuroni.

And this was a very productive time in gene therapy,

In quel periodo la terapia genica attraversava una fase molto prolifica,

and lots of viruses were coming along,

e si stavano scoprendo molti virus.

so this turned out to be fairly simple.

Per cui l'operazione risultava molto semplice.

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

Un giorno dell'estate del 2004, al mattino presto,

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

abbiamo fatto un tentativo che è andato subito bene.

Si prende il DNA e si introduce in un neurone.

You take this DNA and put it into the neuron.

The neuron uses its natural protein-making machinery

Il neurone usa il suo apparato per la produzione di proteine

to fabricate these little light-sensitive proteins

per fabbricare piccole proteine fotosensibili

e le installa su tutta la cellula,

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

proprio come si metterebbero dei pannelli solari sul tetto.

And the next thing you know,

A questo punto sapete

you have a neuron which can be activated with light.

di avere un neurone che si può attivare con la luce.

Un potere enorme.

So this is very powerful.

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

Ma dovete fare in modo da

convogliare questi geni solo alle cellule che voi volete

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

e non alle altre.

Si può fare; basta sollecitare i virus in modo

And you can do that;

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

che colpiscano alcune cellule e non altre.

Potete fare anche un altro giochetto genetico

And there's other genetic tricks you can play

per attivare le cellule con la luce.

in order to get light-activated cells.

Questo campo viene ora chiamato "optogenetica".

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

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

Solo per farvi un esempio di cosa si possa fare,

prendete un sistema complesso,

you can take a complex network,

use one of these viruses to deliver the gene

e usate uno di questi virus per trasportare il gene

solo a un tipo di cellule nel sistema.

just to one kind of cell in this dense network.

And then when you shine light on the entire network,

E quando convogliate la luce sull'intero sistema

just that cell type will be activated.

si attiveranno solo le cellule di quel tipo.

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

Ad esempio, consideriamo la cellula a canestro di cui vi parlavo --

quella che si atrofizza con la schizofrenia

the one that's atrophied in schizophrenia

e che è di tipo inibente.

and the one that is inhibitory.

Se riusciamo a inserire il gene in queste cellule --

If we can deliver that gene to these cells --

che naturalmente non verranno alterate in nessun modo --

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

e irradiare la luce blu su tutto il sistema neurale,

then flash blue light over the entire brain network,

just these cells are going to be driven.

si potranno condizionare esclusivamente quelle cellule.

E quando si spegne la luce le cellule tornano alla normalità,

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

quindi non subiscono alcuna alterazione.

there don't seem to be adverse events.

Not only can you study what these cells do,

Questo non serve solo a studiare il comportamento di queste cellule,

what their power is in computing in the brain,

la loro capacità di calcolo,

ma anche a capire --

you can also use this to try to figure out

beh, magari potremmo ravvivare l'attività di queste cellule,

if we could jazz up the activity of these cells

nel caso fossero atrofizzate.

if indeed, they're atrophied.

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

Ora vi racconterò un paio di aneddoti

su cosa stiamo facendo,

both at the scientific clinical and preclinical levels.

sia a livello scientifico che clinico e preclinico.

One of the questions that we've confronted is:

Una delle domande che ci siamo posti era

What signals in the brain mediate the sensation of reward?

quali fossero i segnali che nel cervello indicano il senso di appagamento.

Because if you could find those,

Perché se si riesce ad individuarli,

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

da lì potremmo evidenziare quelli che inducono l'apprendimento.

Il cervello ci indurrà a ripetere l'attività che ha causato quella gratifica.

the brain will do more of what got that reward.

E sono gli stessi segnali che vanno in tilt nei disordini da dipendenza.

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

Dunque se scopriamo di quali cellule si tratti

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

potremmo individuare altri obiettivi

su cui indirizzare nuovi farmaci o verificare quelli esistenti,

for which drugs can be designed or screened against

o magari capire dove è possibile impiantare elettrodi

or maybe places where electrodes could be put in

nelle persone con gravi patologie.

for people who have severe disability.

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

Per poterlo realizzare abbiamo sviluppato un semplice schema

assieme al Fiorella group,

in collaboration with the Fiorillo group,

per cui se la cavia si sposta

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

su questo lato della scatola riceverà un impulso luminoso

it gets a pulse of light.

che renderà diverse cellule del cervello sensibili alla luce.

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

Così se queste cellule ingenereranno un senso di gratifica,

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

la cavia sarà incentivata a spostarsi da questa parte.

Ecco quel che succede.

And that's what happens.

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

Il topolino si sposta sul lato destro e infila il muso in questo buco,

e ogni volta che lo fa riceve un impulso di luce blu.

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

E lo ripeterà per centinaia di volte.

He'll do that hundreds of times.

Questi sono i neuroni della dopamina,

These are the dopamine neurons,

che come forse saprete sono presenti nel cervello, nei centri del piacere.

in some of the pleasure centers in the brain.

Ora noi abbiamo dimostrato che è sufficiente

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

solo una breve stimolazione per indurre l'apprendimento.

Ma potremmo generalizzare l'idea.

Now we can generalize the idea.

Invece di concentrarci in un sol punto

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

potremmo creare dispositivi per tutto il cervello,

per distribuire la luce con schemi tridimensionali --

that can deliver light into three-dimensional patterns --

fasci di fibre ottiche,

arrays of optical fibers,

ognuna collegata alla propria esclusiva fonte di luce in miniatura.

each coupled to its own independent miniature light source.

E poi potremmo sperimentare in vivo

Then we can try to do things in vivo

cose realizzate finora solo in provetta --

that have only been done to date in a dish,

like high-throughput screening throughout the entire brain

come sondare l'intero cervello alla ricerca

di segnali che possono stimolare certi comportamenti.

for the signals that can cause certain things to happen

Oppure potrebbero rappresentare obiettivi

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

per il trattamento dei disordini mentali.

Vi voglio raccontare in che modo possiamo

One story I want to tell you about is:

individuare obiettivi per il trattamento dei disordini da stress post-traumatico --

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

un tipo di ansia e di paura incontrollabili.

a form of uncontrolled anxiety and fear?

Una delle cose che abbiamo fatto

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

è stato adottare un modello classico di paura.

This goes back to the Pavlovian days.

Andiamo indietro ai tempi di Ivan Pavlov.

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

Si tratta del condizionamento alla paura Pavloviano --

in cui una nota musicale termina con una piccola scossa.

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

La scossa non è dolorosa ma dà fastidio.

E col tempo - nel nostro caso la cavia è un topo,

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

animale che si presta molto bene a una gran varietà di esperimenti --

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

il topo impara a temere il tono musicale.

the animal learns to fear the tone.

La sua reazione è l'immobilità,

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

come fa un cervo illuminato dai fari.

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

Ora il problema è come individuare nel cervello quegli obiettivi

that allow us to overcome this fear?

che consentono di reagire alla paura.

E allora proviamo a generare nuovamente

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

quel tono associato alla paura.

Ma attivando differenti obiettivi nel cervello,

But we activate different targets in the brain,

usando quelle fibre ottiche cui vi accennavo,

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

per poter capire quali obiettivi possano

in order to try and figure out

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

far superare il ricordo di quella paura.

Ecco un breve filmato

This brief video shows you one of these targets

per mostrarvi uno degli obiettivi a cui stiamo lavorando.

that we're working on now.

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

Questa è una zona della corteccia prefrontale,

con la quale è possibile usare il potere cognitivo per superare stati emozionali avversi.

to try to overcome aversive emotional states.

Ed ecco il topo che sta per udire il segnale acustico -- ed ecco l'impulso luminoso.

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

Qui non c'è audio, ma potete vedere come l'animale si immobilizzi.

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

Quel segnale era foriero di cattive notizie.

the tone used to mean bad news.

E in basso a sinistra c'è un piccolo timer

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

che indica che sono passati un paio di minuti.

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

Ora il prossimo video,

This next clip is just eight minutes later.

otto minuti dopo.

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

E di nuovo il segnale acustico e quindi l'impulso luminoso.

Ecco che parte. Adesso.

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

Come potete vedere, 10 minuti dopo aver provveduto

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

ad attivare questa zona del cervello con la luce,

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

siamo riusciti ad eliminare

to overcome the expression of this fear memory.

la memoria di quella paura.

Negli ultimi due anni abbiamo analizzato l'albero della vita

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

perché volevamo trovare il modo di spegnere alcuni circuiti nel cervello.

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

Poterlo fare sarebbe estremamente importante.

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

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

Se potete disattivare delle cellule per alcuni millisecondi

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

riuscireste a capire quale sia il loro ruolo

nei circuiti di cui fanno parte.

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

Finora abbiamo studiato organismi appartenenti a tutti gli ambiti della vita --

ogni ambito, tranne quello animale, lo vediamo in modo leggermente diverso.

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

Abbiamo trovato tutte quelle molecole, le cosiddette halorhodopsin e archaerodopsin,

We found molecules called halorhodopsins or archaerhodopsins,

che reagiscono alla luce verde e a quella gialla.

that respond to green and yellow light.

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

Si comportano in modo opposto alla molecola cui vi accennavo

con l'attivatore di luce blu channelrhodopsin.

with the blue light activator, channelrhodopsin.

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

Ora vi dirò a cosa crediamo che tutto questo ci possa condurre.

Consider, for example, a condition like epilepsy,

Prendiamo ad esempio l'epilessia, condizione in cui

where the brain is overactive.

il cervello è iperattivo.

Now, if drugs fail in epileptic treatment,

Ora se i farmaci falliscono, uno dei possibili

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

rimedi è la rimozione di parte del cervello.

Ma chiaramente è un intervento irreversibile che potrebbe causare dei danni.

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

Pensate se riuscissimo a spegnere per un attimo quel cervello

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

finché non sia passata la crisi,

until the seizure dies away,

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

e poi a ripristinare lo stato di normalità del cervello --

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

come un sistema dinamico che venga persuaso a tornare alla stabilità.

Questa animazione tenta di spiegare il concetto

This animation tries to explain this concept

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

di queste cellule sensibili che si disattivano con la luce,

e la luce che entra,

and we beam light in,

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

e la possibilità di riuscire a disattivarle

per la sola durata della crisi.

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

Su questo fronte non disponiamo ancora di dati,

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

ma nell'ambiente c'è molta eccitazione.

but we're very excited about this.

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

Vorrei concludere con una storia

che crediamo rappresenti un'altra possibilità --

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

che forse queste molecole, potendo esercitare un controllo di alta precisione,

possono essere utilizzate all'interno del cervello stesso

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

per creare un nuovo tipo di protesi, protesi visive.

an optical prosthetic.

Vi ho già spiegato che gli stimolatori elettrici non sono merce rara.

I already told you that electrical stimulators are not uncommon.

75.000 persone affette da Parkinson hanno impianti di stimolazione cerebrale profonda.

Seventy-five thousand people

have Parkinson's deep-brain stimulators implanted,

Forse 100.000 hanno impianti cocleari

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

che consentono loro di udire.

C'è un altro problema, ed è come trasportare questi geni nelle cellule.

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

Ci sono nuove speranze provenienti dalla terapia genica,

A new hope in gene therapy has been developed,

because viruses like the adeno-associated virus --

dei virus come i virus adeno-associati

che forse affliggono la maggior parte dei presenti

which probably most of us around this room have;

ma che non causano alcun sintomo,

it doesn't have any symptoms --

che sono stati usati con centinaia di pazienti

have been used in hundreds of patients

to deliver genes into the brain or the body.

per trasportare geni nel cervello o nel corpo.

And so far, there have not been serious adverse events

Finora non si sono riscontrate reazioni gravi

in concomitanza con questi virus.

associated with the virus.

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

Ma c'è un altro problema a cui non si pensa, e sono le proteine

which come from algae, bacteria and funguses

provenienti da alghe, batteri e funghi,

and all over the tree of life.

in tutti i vari ambiti della vita.

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

Credo nessuno di noi abbia dei funghi o delle alghe nel cervello,

ma come reagirebbe il cervello se ve li introducessimo?

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

Saranno tollerati dalle cellule? Come reagirà il sistema immunitario?

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

Stiamo solo all'inizio -- ancora non abbiamo fatto esperimenti sulle persone --

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

ma abbiamo condotto diversi studi

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

in questa direzione.

Finora non abbiamo constatato reazioni preoccupanti

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

all'inserimento di queste molecole

to these molecules

or to the illumination of the brain with light.

o all'illuminazione indotta nel cervello.

Dunque stiamo ancora all'inizio, ma c'è una grande eccitazione.

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

Concludo con una storia

I wanted to close with one story,

which we think could potentially be a clinical application.

che crediamo potrebbe

trovare applicazioni cliniche.

Now, there are many forms of blindness

Ora esistono diverse forme di cecità

in cui i fotoricettori,

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

i sensori che si trovano dietro gli occhi, non funzionano più.

are gone.

And the retina is a complex structure.

La retina è certamente una struttura complessa.

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

Ora proviamo a ingrandire per vedere i dettagli.

I fotoricettori si trovano in cima,

The photoreceptor cells are shown here at the top.

The signals that are detected by the photoreceptors are transformed

e i segnali rilevati dai fotoricettori

vengono elaborati

via various computations

finché lo strato di cellule in basso, i ganglioni,

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

trasmettono le informazioni al cervello

relay the information to the brain,

in cui si forma la percezione delle immagini.

where we see that as perception.

In molte forme di cecità, come la retinite pigmentosa

In many forms of blindness, like retinitis pigmentosa

or macular degeneration,

o la degenerazione maculare,

the photoreceptor cells have atrophied or been destroyed.

i fotoricettori sono atrofizzati o distrutti.

Now, how could you repair this?

Come possiamo ripararli?

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

Non è neppure sicuro che un farmaco possa ricostituirli,

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

dato che non ci sarebbe nulla a cui potersi legare.

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

Ma d'altro canto la luce può ancora penetrare attraverso l'occhio.

La luce è ancora trasparente e la si può trasportare all'interno.

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

Forse potremmo prendere queste channelrhodopsin e altre molecole

So what if we could take these channelrhodopsins and other molecules

e installarle su alcune di queste cellule

and install them on some of these other spared cells

e trasformarle in mini fotocamere.

and convert them into little cameras?

E dato che nell'occhio esistono molte di queste cellule,

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

potrebbero tutte trasformarsi in fotocamere ad alta risoluzione.

potentially, they could be very high-resolution cameras.

Dunque queste sono alcune delle nostre attività.

This is some work that we're doing,

Sono dirette da uno dei nostri collaboratori,

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

Alan Horsager della USC (Università della Bassa California),

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

e stiamo pensando alla commercializzazione con la start up Eos Neuroscience,

sovvenzionata dal NIH (Istituto Nazionale della Salute).

which is funded by the NIH.

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

Qui vediamo un topo che cerca di risolvere un rompicapo.

E' un labirinto a sei bracci. All'interno c'è un po' d'acqua

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

per invogliarlo a muoversi anziché rimanere fermo.

Naturalmente l'obiettivo

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

è uscire dall'acqua e raggiungere una piccola piattaforma

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

sotto il varco illuminato in alto.

Ora i topi sono scaltri, e alla fine riescono nel loro intento,

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

but he does a brute-force search.

ma lo fanno in modo rozzo.

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

Il topo nuota lungo ogni tratto finché non arriva alla piattaforma.

He's not using vision to do it.

Non fa un ragionamento d'insieme.

These different mice are different mutations

Questi topi sono il risultato di differenti mutazioni

che replicano diversi tipi di cecità umana.

that recapitulate different kinds of blindness that affect humans.

Dovevamo trovare il modo di usare un approccio generico

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

per tutti i modelli.

so we come up with a generalized approach.

Ma come riuscirci?

So how can we solve this?

Esattamente come vi ho fatto vedere nella diapositiva precedente.

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

Prendiamo i fotosensori di luce blu

We'll take these blue light photo sensors

e li mettiamo su uno strato di cellule

and install them onto a layer of cells

al centro della retina retrostante l'occhio,

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

and convert them into a camera --

e li trasformiamo in micro fotocamere.

just like installing solar cells all over those neurons

Proprio come installare cellule fotovoltaiche sui neuroni

per renderli fotosensibili.

to make them light-sensitive.

Light is converted to electricity on them.

La luce viene trasformata in elettricità.

So this mouse was blind a couple weeks before this experiment

Ebbene questo topolino era cieco due settimane prima dell'esperimento

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

e ha ricevuto una di queste molecole fotosensibili tramite un virus.

Come vedete, l'animale riesce ad evitare i muri

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

e a raggiungere la piattaforma

and go to this little platform

con l'uso cognitivo dei suoi occhi.

and make cognitive use of its eyes again.

Una nota importante:

And to point out the power of this:

questi animali sono in grado di raggiungere la piattaforma

these animals can get to that platform

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

altrettanto velocemente di quelli che non hanno mai perduto la vista.

Credo che questo studio preclinico

So this preclinical study, I think, bodes hope

sia di buon auspicio per le attività

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

che vogliamo svolgere in futuro.

Per concludere voglio dirvi che stiamo elaborando anche

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

altri modelli di commercio per questa area delle neurotecnologie.

Stiamo sviluppando strumenti

We're developing tools and sharing them freely

che condividiamo con centinaia di altri gruppi in tutto il mondo,

with hundreds of groups all over the world

così che si possano studiare soluzioni anche per altri tipi di disordini.

for them to study and try to treat different disorders.

La nostra speranza è che, riuscendo a comprendere

Our hope is that by figuring out brain circuits

i circuiti neurali tanto da ripararli e ristrutturarli,

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

possiamo arrivare ad affrontare alcune delle patologie inguaribili cui accennavo,

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

tuttora senza cura,

practically none of which are cured,

e trasformarle in un lontano ricordo.

and in the 21st century, make them history.

Grazie.

Thank you.

(Applause)

(Applausi)

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

Juan Enriquez: Beh, è un po' difficile capire tutto quanto.

(Laughter)

(Risate)

Ma le implicazioni

But the implications of being able to control seizures or epilepsy

di riuscire a controllare varie crisi o l'epilessia

with light instead of drugs

con la luce al posto dei farmaci,

and being able to target those specifically

e in modo così preciso,

is a first step.

è un passo avanti.

The second thing that I think I heard you say

La seconda cosa che credo tu abbia detto

is you can now control the brain in two colors,

è che è possibile controllare il cervello con due colori.

Come usare un interruttore.

like an on-off switch.

Ed Boyden: Corretto.

Ed Boyden: That's right.

JE: Il che rende ogni impulso che attraversa il cervello un codice binario.

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

EB: Sì, giusto.

EB: Right.

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

Così la luce blu, che convoglia le informazioni, è come un 1.

E quando si spegne abbiamo uno zero.

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

Quindi la nostra speranza è costruire dei coprocessori

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

che lavorino a sostegno del cervello,

per ripristinare alcune funzionalità nelle persone disabili.

so we can augment functions in people with disabilities.

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

JE: E in teoria questo vuol dire che,

man mano che un topo sente, annusa,

ode, tocca,

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

si possono estrapolare delle serie di uno e zero.

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

EB: Certo, sì. Speriamo di utilizzarlo per poter verificare

quali codici neurali inducano quali comportamenti,

what neural codes can drive certain behaviors

pensieri o sensazioni,

and certain thoughts and certain feelings

e usarli per capirne di più sul funzionamento del cervello.

and use that to understand more about the brain.

JE: Does that mean that someday you could download memories

JE: Significa che un giorno si potranno scaricare informazioni memorizzate

and maybe upload them?

e magari ricaricarne altre?

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

EB: Beh, è un settore in cui ci stiamo impegnando molto.

In questo momento stiamo cercando

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

di inserire nel cervello anche degli elementi di registrazione.

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

Così da registrare le informazioni e poterle reinserire --

sort of computing what the brain needs

capire ciò di cui il cervello ha bisogno

in order to augment its information processing.

per incrementare il processo di elaborazione delle informazioni.

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

JE: Bene, forse ora c'è la possibilità di cambiare alcune cosette. Grazie (EB: Grazie)

EB: Thank you.

(Applausi)

(Applause)