Ed Boyden: A light switch for neurons

מתרגם: Sigal Tifferet מבקר: Ido Dekkers

חשבו רגע על היום שלכם,

Think about your day for a second.

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

התעוררתם, חשתם משב רוח קל כשיצאתם מהדלת,

encountered new colleagues and had great discussions

פגשתם קולגות חדשות וניהלתם דיונים מרתקים,

והרגשתם נפלא כשגיליתם משהו חדש.

and felt in awe when you found something new.

אבל יש משהו שבוודאי לא חשבתם עליו היום,

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

דבר כ"כ קרוב

something so close to home,

שאתם ודאי לא חושבים עליו לעיתים קרובות.

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

וזה שכל התחושות, הרגשות,

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

ההחלטות והפעולות

מתווכות ע"י המחשב שבראשכם

are mediated by the computer in your head

שנקרא המוח.

called your brain.

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

עכשיו, המוח לא נראה כמו משהו מבחוץ,

קילו וחצי של רקמה אפורה-ורודה,

a couple pounds of pinkish-gray flesh,

אמורפית,

amorphous.

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

אבל מאה שנים של מדעי המוח

אפשרו לנו להתמקד במוח,

and to see the intricacy of what lies within.

ולראות את המורכבות שבתוכו.

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

והן גילו לנו שהמוח

הוא מעגל חשמלי מורכב ביותר

made out of hundreds of billions of cells called neurons.

המורכב ממאות מיליארדים של תאים הנקראים נוירונים.

Now, unlike a human-designed computer,

עכשיו, בשונה ממחשב שתוכנן בידי אדם,

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

בו יש מספר קטן יחסית של חלקים,

ואנחנו יודעים איך הם פועלים, כי אנחנו תכננו אותם,

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

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

המוח בנוי מאלפי סוגים שונים של תאים,

אולי עשרות אלפים.

maybe tens of thousands.

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

יש להם צורות שונות, הם בנויים ממולקולות שונות,

והם מתקשרים עם חלקי מוח שונים.

they project and connect to different brain regions.

והם גם משתנים בדרכים שונות במחלות שונות.

They also change in different ways in different disease states.

בואו נמחיש את זה.

Let's make it concrete.

There's a class of cells,

הנה סוג של תא,

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

תא קטן יחסית, תא מעכב שמשתיק את שכניו.

נראה שזה אחד התאים שמתנוון במצבים כמו סכיזופרניה.

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

in disorders like schizophrenia.

It's called the basket cell.

הוא נקרא "תא סל".

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

והתא הזה הוא אחד מאלפי סוגי תאים

אותם אנו חוקרים.

that we're learning about.

New ones are being discovered every day.

כל יום מגלים סוגים חדשים.

כדוגמה נוספת,

As just a second example:

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

אלה תאים פירמידליים, תאים גדולים,

הם יכולים להשתרע על חלק ניכר של במוח.

of the brain.

הם מעוררים.

They're excitatory.

ואלה חלק מהתאים

And these are some of the cells that might be overactive

שעלולים להיות פעילים מדי בהפרעות כמו אפילפסיה.

in disorders such as epilepsy.

כל אחד מהתאים האלה

Every one of these cells is an incredible electrical device.

הוא מנגנון חשמלי מדהים.

They receive inputs from thousands of upstream partners

הם מקבלים קלט מאלפי שותפים במעלה הזרם

ומחשבים את הפלט החשמלי שלהם,

and compute their own electrical outputs,

which then, if they pass a certain threshold,

ואז, אם הוא עובר סף מסוים,

הם יעבירו מסר לאלפי שותפים במורד הזרם.

will go to thousands of downstream partners.

והתהליך הזה, שלוקח בערך מילי-שניה,

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

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

מתרחש אלפי פעמים בדקה

בכל אחד ממאה מיליארד התאים שלכם,

as long as you live and think and feel.

כל עוד אתם חיים

וחושבים ומרגישים.

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

אז איך נבין מה המעגל הזה עושה?

באופן אידאלי, נוכל לעבור במסלול הזה

Ideally, we could go through this circuit

ולהפעיל ולכבות את התאים השונים

and turn these different kinds of cell on and off

and see whether we could figure out

ולראות אם אפשר להבין

which ones contribute to certain functions

מי תורם לתפקוד מסוים,

and which ones go wrong in certain pathologies.

ומי נפגע בפתולוגיות מסויימות.

אם יכולנו להפעיל תאים, היינו יכולים לגלות אילו כוחות חבויים בהם,

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

מה הם יכולים להפעיל ולשמר.

what they can initiate and sustain.

אם היינו יכולים לכבות אותם,

If we could turn them off,

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

היינו יכולים לגלות מה הצורך בהם.

וזה הסיפור עליו אספר היום.

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

ולמען האמת, מה עשינו ב-11 השנים האחרונות,

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

בנסיון למצוא דרכים

through an attempt to find ways

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

להדליק ולכבות מסלולים, תאים,

וחלקים במוח,

on and off,

כדי להבין באופן מדעי,

both to understand the science

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

וכדי להתמודד עם חלק מהבעיות

מולן אנו ניצבים.

Now, before I tell you about the technology,

אבל לפני שאספר לכם על הטכנולוגיה,

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

החדשות הרעות הן שחלק ניכר מאיתנו,

אם נחיה מספיק שנים,

if we live long enough,

will encounter, perhaps, a brain disorder.

ניפגש, אולי, בהפרעה מוחית.

כבר כיום, מיליארד אנשים

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

סובלים מהפרעה מוחית כלשהי

שמגבילה אותם.

that incapacitates them.

The numbers don't do it justice, though.

והמספרים לא ממחישים מספיק את הבעיה.

These disorders -- schizophrenia, Alzheimer's,

ההפרעות האלה - סכיזופרניה, אלצהיימר,

דכאון, התמכרות -

depression, addiction --

they not only steal away our time to live,

לא רק מקצרות את חיינו, הן משנות את אופיינו,

they change who we are.

They take our identity and change our emotions

הן לוקחות את זהותנו ומשנות את רגשותינו,

and change who we are as people.

ומשנות אותנו כאנשים.

Now, in the 20th century,

עכשיו, במאה ה-20

נוצרה תקוה כלשהי

there was some hope that was generated

through the development of pharmaceuticals for treating brain disorders.

בשל התפתחות התרופות לטיפול בהפרעות מוחיות.

אך בעוד שפותחו תרופות רבות

And while many drugs have been developed

that can alleviate symptoms of brain disorders,

היכולות להקל את הסימפטומים של הפרעות מוחיות,

כמעט אף אחת מהן לא רופאה.

practically none of them can be considered to be cured.

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

ואחת הסיבות לכך היא שאנחנו טובלים את המוח בכימיקל.

we're bathing the brain in a chemical --

המערכת המורכבת הזו

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

המורכבת מאלפי סוגי תאים שונים

נטבלת בתוך התרופה.

is being bathed in a substance.

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

זוהי גם הסיבה לכך שלמרבית התרופות בשוק

יכולות להיות תופעות לוואי משמעותיות.

can present some kind of serious side effect too.

עכשיו, יש אנשים שקיבלו הקלה כלשהי

Now some people have gotten some solace from electrical stimulators

מקוצבים חשמליים שהושתלו במוח.

that are implanted in the brain,

for Parkinson's disease or cochlear implants.

ובמקרים של מחלת פרקינסון,

שתלים שבלוליים,

These have indeed been able to bring some kind of remedy

בהחלט ניתן להביא

ריפוי כלשהו

to people with certain kinds of disorders.

לאנשים עם בעיות מסוימות.

But electricity also will go in all directions --

אבל גם החשמל יכול לזרום בכל הכיוונים,

the path of least resistance --

במסלול עם ההתנגדות הנמוכה ביותר,

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

כפי שאומר הביטוי באנגלית.

and will also affect normal circuits,

והוא ישפיע לא רק על המעגלים האבנורמליים, אלא גם על המעגלים הנורמליים.

as well as the abnormal ones you want to fix.

אז שוב, אנו חוזרים לרעיון

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

של שליטה סופר-מדוייקת.

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

האם אנחנו יכולים להשתיל מידע בדיוק היכן שאנו רוצים?

אז כשאני התחלתי לעסוק במדעי המוח, לפי 11 שנה,

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

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

הייתי כבר מהנדס חשמל ופיזיקאי,

the first thing I thought about was,

והדבר הראשון שחשבתי עליו

if these neurons are electrical devices,

היה שאם הנוירונים האלה הם מתקנים חשמליים,

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

אז כל מה שצריך לעשות זה למצוא דרך

ליצור שינויים חשמליים ממרחק.

at a distance.

אם יכולנו להפעיל את החשמל בתא אחד,

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

אך לא בשכניו,

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

היינו מקבלים כלי חשוב להפעלה וכיבוי של תאים שונים,

לגלות מה כל אחד מהם עושים ואיך הם תורמים

to figure out what they do

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

לרשתות בהן הם נמצאים.

וזה גם היה נותן לנו את השליטה הסופר-מדוייקת שאנו צריכים

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

כדי לתקן חישובים מעגליים

to fix the circuit computations that have gone awry.

שנפגעו.

Now, how are we going to do that?

עכשיו, איך נעשה את זה?

Well, there are many molecules that exist in nature

אז קיימות הרבה מולקולות בטבע,

שיכולות להסב אור לחשמל.

which are able to convert light into electricity.

תחשבו עליהם כמו על חלבונים קטנים

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

שפועלים כמו תאים סולריים.

If we install these molecules in neurons somehow,

אם נוכל להתקין את המולקולות האלה בתוך נוירונים איך שהוא,

then these neurons would become electrically drivable with light,

אז הנוירונים האלה יופעלו ע"י אור.

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

והשכנים שלהם, ללא המולוקולה, לא יופעלו.

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

יש עוד תכסיס אחד שנדרש כדי שכל זה יפעל,

וזה היכולת להכניס אור למוח.

the ability to get light into the brain.

The brain doesn't feel pain.

וכדי לעשות זאת - המוח לא חש כאב - אפשר לשים -

Taking advantage of all the effort

אפשר לנצל את כל המאמצים

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

שהוכנסו לתעשיית האינטרנט והתקשורת -

you can put optical fibers connected to lasers

סיבים אופטיים המחוברים ללייזר

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

איתם ניתן להפעיל, למשל בבע"ח

במחקרים קדם-קליניים,

these neurons and see what they do.

את הנוירונים האלה ולראות מה הם עושים.

אז איך עושים את זה?

So how do we do this?

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

סביב 2004,

בשת"פ עם גרהארד נייג'ל וקרל דיסרות',

this vision came to fruition.

החזון הבשיל.

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

יש אצה מסויימת ששוחה בטבע,

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

והיא צריכה לנווט לכיוון האור

כדי לעשות פוטוסינתיזה אופטימלית.

And it senses light with a little eyespot,

והיא חשה את האור באמצעות נקודת עין קטנה,

which works not unlike how our eye works.

הפועלת די דומה לעין שלנו.

In its membrane, or its boundary,

בממברנה שלה, או בגבול שלה,

it contains little proteins

יש חלבונים קטנים

היכולים להסב אור לחשמל.

that indeed can convert light into electricity.

והמולקולה הקטנה הזו נקראת צ'נלרודופסין.

These molecules are called channelrhodopsins.

And each of these proteins acts just like that solar cell

וכל חלבון כזה פועל כמו תא חשמלי, כפי שהסברתי קודם.

that I told you about.

כשאור כחול פוגע בו, הוא פותח תעלה קטנה

When blue light hits it,

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

ומאפשר לחלקיקים טעונים להיכנס לנקודת העין.

וזה גורם לנקודת העין ליצור מסר חשמלי

that allows this eyespot to have an electrical signal,

בדיוק כמו תא סולרי שטוען סוללה.

just like a solar cell charging a battery.

So what we need to do is take these molecules

אז מה שאנחנו צריכים לעשות הוא לקחת את המולקולות האלה

ולהתקין אותן בתוך נוירונים.

and somehow install them in neurons.

And because it's a protein,

ומכיוון שהן חלבונים,

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

הן מקודדות בתוך הDNA של היצור הזה.

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

אז כל מה שצריך לעשות זה לקחת את ה DNA הזה,

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

להכניס אותו לנשא של טיפול גנטי כמו וירוס,

and put it into neurons.

ולהחדיר אותו לנוירונים.

And this was a very productive time in gene therapy,

ואותה תקופה היתה מאוד פוריה בתחום הטיפול הגנטי,

and lots of viruses were coming along,

עם מבחר גדול של וירוסים.

so this turned out to be fairly simple.

אז זה היה די פשוט.

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

ובבוקר אחד של קיץ 2004

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

ניסינו והצלחנו בנסיון הראשון.

לוקחים את ה DNA הזה ומכניסים אותו לנוירון.

You take this DNA and put it into the neuron.

The neuron uses its natural protein-making machinery

הנוירון משתמש במנגנונים הטבעיים שלו לייצור חלבונים

to fabricate these little light-sensitive proteins

כדי לייצר את החלבונים הקטנים הללו הרגישים לאור

ולהתקין אותם בכל התא,

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

כמו שמתקינים לוחות סולאריים על הגג.

And the next thing you know,

ומה שקורה

you have a neuron which can be activated with light.

הוא שיש לכם נוירון שמופעל ע"י אור.

אז זה מנגנון עוצמתי.

So this is very powerful.

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

אחד הטריקים שצריך לעשות

הוא לגלות איך להעביר את הגנים האלה לתאים שאתם רוצים

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

ולא לשאר השכנים.

ואפשר לעשות את זה. משחקים עם הוירוסים

And you can do that;

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

כך שהם יפגעו רק בחלק מהתאים.

ויש עוד טריקים גנטיים שאפשר לעשות

And there's other genetic tricks you can play

כדי לקבל תאים המופעלים ע"י אור.

in order to get light-activated cells.

התחום הזה נקרא כיום אופטוגנטיקה.

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

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

והנה דוגמא אחת לסוג הדברים שאפשר לעשות,

אפשר לקחת מערכת מורכבת,

you can take a complex network,

use one of these viruses to deliver the gene

להשתמש באחד הוירוסים האלה כדי להעביר את הגן

רק לסוג תא אחד ברשת הסבוכה הזו.

just to one kind of cell in this dense network.

And then when you shine light on the entire network,

ואז כשמאירים אור על כל הרשת,

just that cell type will be activated.

רק סוג התא הזה יופעל.

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

אז אם ניקח לדוגמא את תאי הסל עליהם דיברתי מקודם,

אלה שמתנוונים בסכיזופרניה,

the one that's atrophied in schizophrenia

והם מעכבים.

and the one that is inhibitory.

אם נוכל להחדיר לתאים האלה גן,

If we can deliver that gene to these cells --

והם כמובן לא יושפעו מהביטוי של הגן הזה,

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

ואז להבזיק אור כחול על כל הרשת המוחית,

then flash blue light over the entire brain network,

just these cells are going to be driven.

אז התאים האלה יופעלו.

וכשהאור ייכבה, התאים האלה יחזרו למצב נורמלי,

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

אז לא נראה שהם מתנגדים לכך.

there don't seem to be adverse events.

Not only can you study what these cells do,

אפשר ללמוד מה התאים האלה עושים,

what their power is in computing in the brain,

מה היכולת החישובית שלהם במוח,

אבל אפשר גם לנסות ולגלות -

you can also use this to try to figure out

ובכן, אפשר אולי להגביר את הפעילות שלהם,

if we could jazz up the activity of these cells

אם הם אכן מנוונים.

if indeed, they're atrophied.

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

אז אני רוצה להראות לכם כמה סיפורים קצרים

על איך אנחנו משתמשים בזה,

both at the scientific clinical and preclinical levels.

ברמה המדעית, הקלינית, וברמה הקדם-קלינית.

One of the questions that we've confronted is:

אחת השאלות מולן ניצבנו

What signals in the brain mediate the sensation of reward?

היא מהם הסימנים במוח שמתווכים את תחושת התגמול?

Because if you could find those,

כי אם נמצא אותם,

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

הם יהיו סימנים שיכולים לקדם למידה.

המוח יעשה יותר מכל פעולה שקיבלה את התגמול.

the brain will do more of what got that reward.

והסימנים האלה גם משתבשים בהפרעות כמו התמכרויות.

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

אז אם נוכל לגלות מה התאים האלה,

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

אולי נוכל למצוא מטרות חדשות

לייצור תרופות,

for which drugs can be designed or screened against

או אתרים למיקום אלקטרודות

or maybe places where electrodes could be put in

אצל אנשים בעלי פגיעה חמורה.

for people who have severe disability.

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

אז כדי לעשות זאת, יצרנו פרדיגמה פשוטה מאוד

בשת"פ עם קבוצת פיורלה,

in collaboration with the Fiorillo group,

אם החיה תלך לצד אחד של הקופסא

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

היא תקבל הבזק אור,

it gets a pulse of light.

על מנת לגרום לתאים מסויימים רגישות לאור.

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

אז אם התאים האלה מווסתים תגמול,

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

אז החיה צריכה ללכת לשם יותר ויותר.

וזה מה שקורה.

And that's what happens.

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

החיה תלך לצד הימני ולדחוף את אפה לשם,

והיא תקבל הבזק אור כחול בכל פעם שהיא עושה זאת.

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

והיא תעשה זאת מאות פעמים.

He'll do that hundreds of times.

אלה נוירונים של דופמין,

These are the dopamine neurons,

שאולי שמעתם עליהם בהקשר של חלק ממרכזי העונג במוח.

in some of the pleasure centers in the brain.

מצאנו שהפעלה קצרה שלהם

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

מספיקה בהחלט כדי להניע למידה.

עכשיו אפשר להרחיב את הרעיון.

Now we can generalize the idea.

במקום להתמקד בנקודה אחת במוח,

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

אפשר לתכנן התקנה בחלקים שונים של המוח,

שיכולה להחדיר אור בדפוסים תלת-מימדיים -

that can deliver light into three-dimensional patterns --

קשת של סיבים אופטיים,

arrays of optical fibers,

כ"א קשור למקור אור מיניאטורי ועצמאי.

each coupled to its own independent miniature light source.

ואז אפשר לעשות דברים בחיה החיה

Then we can try to do things in vivo

שעד כה נעשו רק בצלחת פטרי,

that have only been done to date in a dish,

like high-throughput screening throughout the entire brain

כמו חיפוש במוח כולו

של אותות היכולים לגרום לתופעות מסוימות.

for the signals that can cause certain things to happen

או שהם יכולים להיות מטרות קליניות טובות

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

לטיפול בהפרעות מוחיות.

וסיפור אחד שאני רוצה לספר לכם

One story I want to tell you about is:

הוא איך אנחנו מוצאים מטרות לטיפול בהפרעה פוסט-טראומטית (PTSD)

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

סוג של פחד וחרדה בלתי נשלטים.

a form of uncontrolled anxiety and fear?

ואחד הדברים שעשינו

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

היה לאמץ מודל קלאסי של פחד.

This goes back to the Pavlovian days.

עוד מתקופת פאבלוב.

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

הוא נקרא התניית פחד פאבלובית,

ובו אחרי צליל מופיע שוק חשמלי קצר.

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

השוק לא כואב, אבל הוא מציק.

ואחרי זמן העכבר, במקרה הזה,

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

והוא חיית מעבדה טובה שמשתמשים בה הרבה בניסויים כאלה,

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

החיה לומדת לפחד מהצליל.

the animal learns to fear the tone.

החיה תגיב בקפיאה,

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

בדומה לאיל שנתקל באור פנס בלילה.

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

עכשיו, השאלה היא, אילו יעדים ניתן למצוא במוח

that allow us to overcome this fear?

שיאפשרו לנו להתגבר על הפחד הזה?

מה יקרה אם נשמיע את הצליל שוב

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

אחרי שנקשר לפחד.

אבל נפעיל יעדים שונים במוח,

But we activate different targets in the brain,

בעזרת הסיבים האופטיים שהראיתי קודם,

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

כדי לנסות ולראות אילו יעדים

in order to try and figure out

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

יכולים לגרום למוח להתגבר על זכרון הפחד.

אז הוידאו הקצר הזה

This brief video shows you one of these targets

מראה את אחד היעדים עליהם אנו עובדים כרגע.

that we're working on now.

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

זהו איזור בקורטקס הפרה-פרונטלי,

איזור בו ניתן להשתמש בחשיבה כדי להתגבר על מצבים רגשים שליליים.

to try to overcome aversive emotional states.

והחיה תשמע צליל, והנה הבזק אור.

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

אין כאן קול, אבל אתם יכולים לראות את החיה קופאת.

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

הצליל הזה נקשר לדברים רעים בעבר.

the tone used to mean bad news.

ויש שעון קטן בפינה השמאלית למטה,

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

אז אתם רואים שחלפו שתי דקות.

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

והנה בוידאו הבא,

This next clip is just eight minutes later.

אחרי 8 דקות.

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

ואותו הצליל יושמע, והאור שוב יובזק.

אוקיי, הנה, עכשיו.

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

ואתם יכולים לראות, עברו רק 10 דקות מתחילת הניסוי,

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

בו הפעלנו את האיזור הזה במוח בעזרת אור,

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

כדי להתגבר על ביטוי

to overcome the expression of this fear memory.

זיכרון הפחד.

עכשיו, בשנתיים האחרונות, חזרנו לעץ החיים,

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

כי רצינו למצוא דרכים לכבות את מעגלי המוח.

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

אם יכולנו לעשות זאת, זה היה כלי חזק מאוד.

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

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

אם נוכל למחוק תאים לשברירי שניה או שניות,

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

נוכל להבין מה התפקיד שלהם

במעגלים המוחיים בהם הם נמצאים.

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

ובדקנו יצורים בכל עץ החיים -

כל ממלכה פרט לחיות נראית מעט שונה.

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

ומצאנו כל מיני מולקולות, שנקראות האלורודופסין או ארכיאורודופסין,

We found molecules called halorhodopsins or archaerhodopsins,

שמגיבות לאור ירוק וצהוב.

that respond to green and yellow light.

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

והן עושות את ההיפך מהמולוקולה עליה סיפרתי קודם לכן,

עם האור הכחול המפעיל צ'נלרודופסין.

with the blue light activator, channelrhodopsin.

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

אתן לכם דוגמא לגבי המשמעות של זה.

Consider, for example, a condition like epilepsy,

קחו למשל מצב כמו אפילפסיה,

where the brain is overactive.

בו המוח פעיל יתר על המידה.

Now, if drugs fail in epileptic treatment,

היום, אם תרופות לא מצליחות לטפל באפילפסיה,

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

אחת האסטרטגיות היא להסיר חלק מהמוח.

אבל זה בלתי-הפיך, כמובן, ויכולות להיות תופעות לוואי.

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

מה אם נוכל לכבות את האיזור הזה רק לזמן קצר,

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

עד שההתקף יעבור,

until the seizure dies away,

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

ונאפשר למוח לחזור למצבו הראשוני,

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

כמו מערכת דינמית שמרגיעים אותה חזרה למצב יציב.

אז האנימציה הזו מנסה להסביר את המושג הזה

This animation tries to explain this concept

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

בו גרמנו לתאים להיכבות בעזרת אור,

ואנחנו שולחים אלומת אור,

and we beam light in,

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

ורק לפרק הזמן הנדרש לעצור את ההתקף,

אנחנו מקווים לכבות אותם.

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

אז אין לנו עדיין נתונים להראות לכם,

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

אבל אנחנו נלהבים מהנושא.

but we're very excited about this.

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

עכשיו אני רוצה להתמקד בסיפור אחד,

שמראה אפשרות אחרת,

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

והיא שאולי המולקולות האלה, אם יש שליטה סופר-מדויקת,

ניתנות לשימוש במוח עצמו,

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

כדי ליצור פרותזה חדשה, פרותזה אופטית.

an optical prosthetic.

סיפרתי לכם כבר שקוצבים חשמליים הם שכיחים.

I already told you that electrical stimulators are not uncommon.

ל 75,000 חולי פרקינסון יש קוצבים מושתלים במוח.

Seventy-five thousand people

have Parkinson's deep-brain stimulators implanted,

ל 100,000 בערך יש שתלים שבלוליים,

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

שמאפשרים להם לשמוע.

עוד דבר, צריך להכניס את הגנים האלה לתוך התאים.

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

ויש תקווה חדשה בריפוי גנטי

A new hope in gene therapy has been developed,

because viruses like the adeno-associated virus --

כי וירוסים כמו adeno-associated virus

שיש כנראה לכל מי שיושב כאן,

which probably most of us around this room have;

ואינם גורמים לסימפטומים,

it doesn't have any symptoms --

וכבר השתמשו בהם במאות פציינטים

have been used in hundreds of patients

to deliver genes into the brain or the body.

להעברת גנים לתוך המוח או לגוף.

And so far, there have not been serious adverse events

ועד כה לא נתגלו תופעות לוואי חמורות

שנקשרו לוירוס.

associated with the virus.

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

יש עוד פיל אחרון בחדר, החלבונים עצמם,

which come from algae, bacteria and funguses

המגיעים מאצות, בקטריות ופטריות,

and all over the tree of life.

ומכל עץ החיים.

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

לרובנו אין אצות או פטריות במוח,

אז מה המוח יעשה אם נכניס אותם?

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

האם התאים יסבלו אותם? האם מערכת החיסון תגיב?

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

בהתחלה - הם עדיין לא נוסו על בני אדם -

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

אבל אנחנו עובדים על מגוון של מחקרים

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

בנסיון לבחון את זה.

ועד כה לא גילינו תגובות כלשהן

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

למולקולות האלה

to these molecules

or to the illumination of the brain with light.

או להארה של המוח.

אז זו רק ההתחלה, אם להיות כנים, אבל אנחנו נלהבים.

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

אני רוצה לסיים עם סיפור אחד,

I wanted to close with one story,

which we think could potentially be a clinical application.

שאנחנו חושבים שיש לו פוטנציאל

להיות בעל יישום קליני.

Now, there are many forms of blindness

עכשיו, ישנם סוגים רבים של עיוורון

בהם הפוטורצפטורים,

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

חיישני האור באחורי העין, חסרים.

are gone.

And the retina is a complex structure.

והרשתית, כמובן, היא איבר מורכב.

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

אז בואו נתמקד עליה כאן, כדי שנראה בפירוט רב יותר.

תאי הפוטורצפטורים נראים כאן למעלה,

The photoreceptor cells are shown here at the top.

The signals that are detected by the photoreceptors are transformed

והאותות שנקלטים ע"י הקולטנים הללו

מומרים ע"י חישובים שונים,

via various computations

עד שלבסוף שכבת התאים שלמטה, תאי הגנגליה,

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

מעבירה את המידע אל המוח,

relay the information to the brain,

בו אנחנו רואים את זה בתפיסה.

where we see that as perception.

בצורות רבות של עיוורון, כמו רטיניטיס פיגמנטוזה,

In many forms of blindness, like retinitis pigmentosa

or macular degeneration,

או ניוון מקולרי,

the photoreceptor cells have atrophied or been destroyed.

תאי הפוטורצפטורים התנוונו או נהרסו.

Now, how could you repair this?

עכשיו, איך אפשר לתקן את זה?

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

כלל לא ברור אם תרופה יכולה לשקם אותם,

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

כי אין לה לאן להתחבר.

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

מצד שני, אור יכול עדיין להיכנס לעין.

אז העין עדיין שקופה וניתן להכניס לתוכה אור.

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

אז מה אם נוכל להכניס את הצ'נלרודופסינים ומולקולות אחרות

So what if we could take these channelrhodopsins and other molecules

ולהתקין אותם על חלק מהתאים הרזרביים

and install them on some of these other spared cells

ולהסב אותם למצלמות קטנות.

and convert them into little cameras?

ומשום שיש כ"כ הרבה תאים כאלה בעין,

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

בפוטנציה, אלה יכולות להיות מצלמות ברזולוציה גבוהה.

potentially, they could be very high-resolution cameras.

אז זה אחד הדברים שאנחנו עושים.

This is some work that we're doing,

והפרוייקט הוא בהנהגת אחד השותפים שלנו,

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

אלן הורסגר מאוניברסיטת דרום קליפורניה (USC),

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

וחברת הסטארט-אפ Eos Neuroscience מתעניינת בו,

פרוייקט הממומן ע"י מכון הבריאות הלאומי (NIH).

which is funded by the NIH.

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

ומה שרואים כאן הוא עכבר שמנסה לפתור מבוך.

זה מבוך בן 6 זרועות, ויש בו קצת מים

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

שנועדו להניע את העכבר לזוז, אחרת הוא רק ישב שם.

והמטרה של המבוך הזה

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

היא לצאת מהמים ולהגיע לבמה קטנה

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

שמתחת ליציאה המוארת העליונה.

עכשיו, עכברים הם חכמים, כך שהעכבר יפתור את המבוך בסופו של דבר,

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

but he does a brute-force search.

אבל זה חיפוש של כוח גס.

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

הוא שוחה במורד כל זרוע, עד שלבסוף הוא מגיע לבמה.

He's not using vision to do it.

אז הוא לא משתמש בראייה כדי להצליח.

These different mice are different mutations

העכברים השונים האלה הם מוטציות שונות

שמייצגות סוגים שונים של עיוורון הפוגעים באנשים.

that recapitulate different kinds of blindness that affect humans.

אז אנחנו נזהרים ומנסים לבחון את המודלים השונים הללו,

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

כדי שנגיע לפתרון בגישה כללית.

so we come up with a generalized approach.

אז איך אנחנו נפתור את זה?

So how can we solve this?

נעשה בדיוק מה שהראינו בשקף הקודם.

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

ניקח את חיישני האור הכחול

We'll take these blue light photo sensors

ונתקין אותם על שכבת תאים

and install them onto a layer of cells

באמצע הרשתית באחורי העין

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

and convert them into a camera --

ונסב אותם למצלמה.

just like installing solar cells all over those neurons

בדיוק כמו התקנה של תאים סולאריים על גבי הנוירונים

כדי להפוך אותם לרגישי-אור.

to make them light-sensitive.

Light is converted to electricity on them.

האור מוסב לחשמל עליהם.

So this mouse was blind a couple weeks before this experiment

אז העכבר הזה היה עיוור כמה שבועות לפני הניסוי הזה

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

והוא קיבל מנה אחת של המולקולה רגישת האור בוירוס.

ואתם יכולים לראות, הוא אכן יכול להימנע מהקירות

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

ולהגיע לבמה הקטנה הזו

and go to this little platform

ולחזור ולעשות שימוש מחושב בעיניו.

and make cognitive use of its eyes again.

וכדי להראות את העוצמה שבזה:

And to point out the power of this:

החיות האלה יכולות להגיע לבמה הזו

these animals can get to that platform

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

באותה מהירות כמו חיות שראו כל חייהן.

אז המחקר הקדם-קליני הזה, לדעתי,

So this preclinical study, I think, bodes hope

טומן בחובו תקווה לסוג הדברים

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

שנוכל לעשות בעתיד.

לסיום, אני רוצה לציין שאנחנו חוקרים גם

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

מודלים עסקיים חדשים בתחום החדש של נוירוטכנולוגיה.

אנחנו מפתחים את הכלים האלה,

We're developing tools and sharing them freely

אבל אנחנו משתפים אותם חינם עם מאות קבוצות מכל העולם,

with hundreds of groups all over the world

כך שאנשים יוכלו ללמוד ולנסות לטפל בהפרעות שונות.

for them to study and try to treat different disorders.

התקוה שלנו היא שע"י הכרה של מעגלים עצביים במוח

Our hope is that by figuring out brain circuits

ברמת הפשטה שמאפשרת לנו לתקן ולהנדס אותם,

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

נוכל לקחת את חלק מההפרעות הקשות עליהן דיברתי קודם,

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

שהן כרגע כמעט ללא ריפוי,

practically none of which are cured,

ולהפוך אותן להיסטוריה במאה ה-21.

and in the 21st century, make them history.

תודה רבה.

Thank you.

(Applause)

(מחיאות כפיים)

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

חואן אנריקז: אז זה חומר לא קל.

(Laughter)

(צחוק)

אבל ההשלכות

But the implications of being able to control seizures or epilepsy

של היכולת לשלוט בהתקפים או באפילפסיה

with light instead of drugs

עם אור במקום תרופות,

and being able to target those specifically

והיכולת לפגוע בהן נקודתית,

is a first step.

זה הצעד הראשון.

The second thing that I think I heard you say

הדבר השני שאני חושב ששמעתי ממך

is you can now control the brain in two colors,

הוא שאתה יכול כרגע לשלוט במוח בשני צבעים.

כמו מתג הפעל/כבה.

like an on-off switch.

אד בוידן: זה נכון.

Ed Boyden: That's right.

אנריקז: וזה הופך כל פעימה חשמלית במוח לקוד בינארי.

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

בוידן: נכון.

EB: Right.

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

אז עם אור כחול אנחנו יכולים להעביר מידע, והוא מסוג 1.

וע"י כיבוי, זה בערך 0.

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

אז אנחנו מקווים בהמשך לבנות מעבדים מוחיים

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

שיעבדו יחד עם המוח,

כך שניתן יהיה לשנות תפקודים באנשים עם הפרעות.

so we can augment functions in people with disabilities.

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

אנריקז: ובתיאוריה, זה אומר

שכשהעכבר חש, מריח,

שומע, נוגע,

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

אתם יכולים למדל את זה כרצף של 1 ו 0.

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

בוידן: בטח, כן. אנחנו מקווים לנצל את זה כדי לבדוק

אילו קודים עצביים מניעים התנהגויות מסוימות,

what neural codes can drive certain behaviors

מחשבות מסוימות, רגשות מסוימים,

and certain thoughts and certain feelings

וכך להבין יותר את המוח.

and use that to understand more about the brain.

JE: Does that mean that someday you could download memories

אנריקז: האם זה אומר שביום מן הימים תוכלו להוריד זכרונות

and maybe upload them?

ואולי להעלות אותם?

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

בוידן: התחלנו לעבוד על זה מאוד ברצינות.

אנחנו עובדים עכשיו על מחקר

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

בו אנחנו מנסים לרצף את המוח עם מנגנוני הקלטה.

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

כך אפשר להקליט מידע ולהזין מידע חזרה

sort of computing what the brain needs

ובעצם לחשב מה המוח צריך

in order to augment its information processing.

כדי לשנות את הדרך בה הוא מעבד מידע.

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

אנריקז: טוב, זה אולי ישנה כמה דברים. תודה. (בוידן: תודה)

EB: Thank you.

(מחיאות כפיים)

(Applause)