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

翻訳: Reiko Bovee 校正: Masaki Yanagishita

Hello, everybody.

みなさん こんにちは

I brought with me today a baby diaper.

赤ちゃんの紙おむつを持ってきました

You'll see why in a second.

今 その理由がお分かりになります

Baby diapers have interesting properties.

紙おむつには 興味深い素材が使われています

They can swell enormously when you add water to them,

紙おむつが水分を吸うと 非常に膨れ上がることは

an experiment done by millions of kids every day.

日々何百万人もの赤ちゃんが 実証してくれています

(Laughter)

（笑）

But the reason why

その理由というのは

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

紙おむつが巧妙に考案され

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

膨潤性のある素材から 作られているからです

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

その特別な素材は

水を加えると驚く程膨れ上がり

it will swell up enormously,

maybe a thousand times in volume.

千倍もの容積になります

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

これは有用な工業用ポリマーですが

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

MITの私のグループは

我々の脳にも同じような事が できないかと研究しています

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

Can we make it bigger,

脳をもっと大きく

big enough that you can peer inside

脳内部を覗ける程大きくして

and see all the tiny building blocks, the biomolecules,

細かな構成部分の生体分子全てが

how they're organized in three dimensions,

3次元的にどのような構成になっているか

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

脳の実体を見られないだろうかというものです

If we could get that,

それができれば

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

我々の脳がどのように

思考 感情 行動 感覚を

to yield thoughts and emotions

生み出しているのか もっと良くわかるでしょうし

and actions and sensations.

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

脳のどの箇所の変化が

様々な病気を起こしているかを 的確に突き止められるかも知れません

that result in diseases,

アルツハイマー病､てんかん､ パーキンソン病などです

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

for which there are few treatments, much less cures,

これらの病気の完治は勿論のこと 治療法はほとんどなく

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

何が原因で発症するか

and what's really causing them to occur.

はっきりとは分かっていません

Now, our group at MIT

MITの我々の研究グループは

is trying to take a different point of view

今までとは異なる視点を持ち

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

過去 100年の神経科学とは 違った方法を試みています

We're designers. We're inventors.

我々はデザイナーでもあり 発明家でもあります

We're trying to figure out how to build technologies

我々が研究しているのは

that let us look at and repair the brain.

脳内を見て修復する技術を 作り上げることです

And the reason is,

そんな技術が必要な理由は

the brain is incredibly, incredibly complicated.

我々の脳は非常に複雑に できているからです

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

20世紀を通して 我々が神経科学で学んだ事は

is that the brain is a very complicated network,

脳は非常に複雑なネットワークであり

made out of very specialized cells called neurons

特殊化した細胞 ニューロンが

with very complex geometries,

とても込み入った配置をなし

and electrical currents will flow through these complexly shaped neurons.

この複雑に構成されたニューロンを通り 電気が流れているということです

Furthermore, neurons are connected in networks.

さらにネットワークを 作っているニューロンは

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

シナプスという小さな結合部で繫がり 化学物質で伝達し合い

and allow the neurons to talk to each other.

互いに情報交換をしています

The density of the brain is incredible.

我々の脳の密度はとても高く

In a cubic millimeter of your brain,

脳の１ミリ立方メートル内に

there are about 100,000 of these neurons

約十万個のニューロン

and maybe a billion of those connections.

十億ものシナプスがあり得るということです

But it's worse.

それだけではなく

So, if you could zoom in to a neuron,

１つのニューロンにズームインしてみると

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

もちろんこれは概念図にすぎませんが―

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

何千種もの生体分子が見られ

little nanoscale machines organized in complex, 3D patterns,

その小さなナノスケールの生体分子が 複雑な３Dの形態で構成され

and together they mediate those electrical pulses,

共に電気のパルスを送り

those chemical exchanges that allow neurons to work together

化学物質を交換し合い ニューロンを恊働させ

to generate things like thoughts and feelings and so forth.

思考や感情などを生み出しています

ニューロンがどのように脳内に ネットワークを作っているのか

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

分かっていません

to form networks,

このような生体分子が

and we don't know how the biomolecules are organized

どのようにニューロン内で組織化され

within neurons

こうした複雑に組織立った機能を 持っているのか分かっていません

to form these complex, organized machines.

If we really want to understand this,

本当にこれを理解したいなら

we're going to need new technologies.

新しいテクノロジーが必要になるでしょう

But if we could get such maps,

そんな地図を手に入れて

if we could look at the organization of molecules and neurons

分子とニューロンや

ニューロンとネットワークの構成が 見られたとしたら

and neurons and networks,

maybe we could really understand how the brain conducts information

恐らく我々の脳がどうやって 知覚野からの情報を

from sensory regions,

処理して

mixes it with emotion and feeling,

感情や感覚とミックスして

我々を決断や行動に移らせるのか 本当に理解できるかも知れません

and generates our decisions and actions.

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

的確にどの分子グループが 脳の疾患を起こしているか

in a brain disorder.

探し出せるかも知れません

And once we know how those molecules have changed,

一旦 分子がどのように 変わったかが分かれば

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

問題の分子が増えようと パターンが変わろうと

we could use those as targets for new drugs,

その情報を新薬の標的として

for new ways of delivering energy into the brain

脳にエネルギーを送り込む 新しい方法の為に使い

in order to repair the brain computations that are afflicted

脳疾患を持つ患者の脳機能を

in patients who suffer from brain disorders.

修復することができるでしょう

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

前世紀に生まれた 多種多様なテクノロジーを使い

我々はこの問題に取り組もうとして来ました

to try to confront this.

I think we've all seen brain scans

脳画像を撮る

taken using MRI machines.

MRIはご存知だと思います

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

これは非侵襲的で 高性能であり

they can be used on living human subjects.

生きているヒトに使えますが

But also, they're spatially crude.

空間解像度は低く

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

ボクセルと呼ばれる画素の１つ１つは

can contain millions and millions of neurons.

何百万ものニューロンを含んでいます

So it's not at the level of resolution

それで この解像度のレベルでは

where it can pinpoint the molecular changes that occur

分子レベルの変化や

or the changes in the wiring of these networks

ヒトの意識を制御する高い能力に関わる

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

神経ネットワークの配線の変化を 突き止めることはできません

At the other extreme, you have microscopes.

その一方 顕微鏡もありますね

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

勿論 顕微鏡は微細なものを 見るために光を使います

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

何世紀もバクテリアのようなものを 見るのに使われてきました

For neuroscience,

神経科学において

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

神経細胞は顕微鏡を使い発見された というのが始まりで

about 130 years ago.

130年程前のことです

But light is fundamentally limited.

しかし顕微鏡で見られるものは 基本的に限られています

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

普通の顕微鏡では 分子は見分けられません

You can't look at these tiny connections.

小さな結合部分を見ることができません

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

脳をもっと詳細を鮮明に見られるようにして

to get down to the ground truth structure,

脳の構造を根本から把握したいならば

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

もっと進んだテクノロジーが 必要になって来るでしょう

My group, a couple years ago, started thinking:

数年前 私の研究グループは こう考え始めました

Why don't we do the opposite?

「逆から考えてみよう

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

脳にズームインするのがそんなに難しいなら

why can't we make the brain bigger?

脳を大きくできないだろうか？」

It initially started

まず２人の大学院生の

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

フェイ・チェンとポール・ティルバーグ と共に始めました

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

今では私のグループの多くが このプロセスに参加しています

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

紙おむつに使われている ポリマーが使えるかどうか

like the stuff in the baby diaper,

脳内に実際埋め込んで

and install it physically within the brain.

検討してみる事にしました

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

それが きちんと入り 水を加えると

you can potentially blow the brain up

こうして脳を膨らますことができ

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

微細な生体分子の１つ１つが 見分けられます

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

その結合の仕方を見て 脳の地図ができます

This could potentially be quite dramatic.

これはかなり劇的なことになりかねません

We brought a little demo here.

その小さなデモを持ってきました

We got some purified baby diaper material.

ここに精製された紙おむつの素材があります

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

ネットで買った方が

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

オムツに実際に含まれている 少量のポリマーを抽出するよりは

I'm going to put just one teaspoon here

ここに小さじ１杯分の

of this purified polymer.

精製されたポリマーが入っています

And here we have some water.

ここに水があります

What we're going to do

今から

is see if this teaspoon of the baby diaper material

一さじの紙おむつ素材 ポリマーが

can increase in size.

大きくなるかどうか見ます

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

千倍ほどに膨らむのが

before your very eyes.

今 見えてきますよ

I could pour much more of this in there,

もっと水を入れてもいいのですが

but I think you've got the idea

これでポリマーが

that this is a very, very interesting molecule,

とても興味深い分子だと お分かりになると思います

and if can use it in the right way,

正しく使えば

we might be able to really zoom in on the brain

今までのテクノロジーでは できないやり方で

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

本当に脳内にズームイン できるかもしれません

OK. So a little bit of chemistry now.

今度は 化学をちょっと

What's going on in the baby diaper polymer?

紙おむつのポリマーでは 何が起きているのでしょう？

If you could zoom in,

ズームインしてみると

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

スライドのように

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

ポリマーは原子が細長い鎖状になったものです

The chains are very tiny,

鎖はとても細く

about the width of a biomolecule,

生体分子の太さくらいです

and these polymers are really dense.

とても密度が高く

They're separated by distances

鎖間の距離は

that are around the size of a biomolecule.

生体分子サイズ位です

This is very good

これが とてもいいことなのは

because we could potentially move everything apart in the brain.

脳内の全てのものを分離させられる かもしれないからです

If we add water, what will happen is,

水を加えると

this swellable material is going to absorb the water,

この膨潤性のある材料は水を吸収します

the polymer chains will move apart from each other,

ポリマーの鎖同士の距離間が広がり

and the entire material is going to become bigger.

素材全体が膨張します

And because these chains are so tiny

ポリマーの鎖はとても細く

and spaced by biomolecular distances,

その間隔は生体分子サイズなので

we could potentially blow up the brain

詳しく見られるほど 脳を膨らませることができるでしょう

and make it big enough to see.

詳しく見られるほど 脳を膨らませることができるでしょう

Here's the mystery, then:

しかし 問題は

How do we actually make these polymer chains inside the brain

脳の生体分子を分離するため どうやって こんなポリマーの鎖を

so we can move all the biomolecules apart?

脳内につくれるか ということです

If we could do that,

それができれば

maybe we could get ground truth maps of the brain.

脳地図を作ることが可能となり

We could look at the wiring.

神経回路が見られるでしょう

We can peer inside and see the molecules within.

こうして中をのぞき 分子を見る事ができます

To explain this, we made some animations

これを説明するため アニメーションを作成しました

where we actually look at, in these artist renderings,

この概念図で示すのは

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

生体分子がどのように見えるか そして それらの分離の様子です

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

ステップ１：まず しなくてはならない事は

is attach every biomolecule, shown in brown here,

茶色で示してある 生体分子全てに

to a little anchor, a little handle.

小さな取っ手をつけます

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

脳の分子を１つずつ 離さなくてはならないので

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

それには 小さな取っ手が要ります

that allows those polymers to bind to them

ポリマーを取っ手と結合させ

and to exert their force.

力を伝えます

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

ただ紙おむつのポリマーを 脳の上に置いたら

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

脳の表面に乗っかっているだけです

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

ポリマーを脳内に入れる方法を 考え出す必要があります

And this is where we're really lucky.

ここがとても幸運なところで

It turns out, you can get the building blocks,

モノマーと呼ばれる単量体を

monomers, as they're called,

これに使えるのです

and if you let them go into the brain

それを脳内に入れて

and then trigger the chemical reactions,

化学反応を引き起こさせ

you can get them to form those long chains,

この長いポリマーの鎖を 作る事ができるのです

right there inside the brain tissue.

脳の組織内 その場でです

They're going to wind their way around biomolecules

ポリマーは生体分子の周りや

and between biomolecules,

分子間に巻き付き

forming those complex webs

複雑な網を作り

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

最後には分子を お互いから引き離します

from each other.

最後には分子を お互いから引き離します

And every time one of those little handles is around,

取っ手の１つがあれば

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

ポリマーは取っ手に結合します まさにこれが必要なことで

in order to pull the molecules apart from each other.

これが分子をお互いから引き離すのです

All right, the moment of truth.

実は ここで重要な事が１つ

We have to treat this specimen

試料を薬品で処理し

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

分子の繫がりをほぐさなくてはなりません

そうすれば水を加えると

and then, when we add water,

that swellable material is going to start absorbing the water,

膨潤性のある素材は 水を吸い始めるのです

the polymer chains will move apart,

ポリマーの鎖は互いに遠のき始め

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

それと共に生体分子が お互い遠のき合います

And much like drawing a picture on a balloon,

それは風船に 絵を描くのと似ています

and then you blow up the balloon,

そのまま風船を膨らませても

the image is the same,

上に描かれたイメージは同じですが

but the ink particles have moved away from each other.

絵のインク分子は １つ１つ遠のいて行きます

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

それと同じ事が３Dでできたのです

There's one last trick.

最後に１つの工夫があります

As you can see here,

ここに見られるように

we've color-coded all the biomolecules brown.

生体分子は全部茶色に 色分けしてあります

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

どれもみんな似ているからです

Biomolecules are made out of the same atoms,

生体分子は同じ原子からできていますが

but just in different orders.

ただその並び方が違うのです

So we need one last thing

それで最後にあるものが

in order to make them visible.

分子を見分ける為に必要です

We have to bring in little tags,

小さな名札です

with glowing dyes that will distinguish them.

光る染料で生体分子を 見分けるようにします

So one kind of biomolecule might get a blue color.

ある種の生体分子は青で

Another kind of biomolecule might get a red color.

別の種類は赤という風に

And so forth.

種類別に色を変えます

And that's the final step.

それが最後の段階です

Now we can look at something like a brain

これで脳の

and look at the individual molecules,

分子を１つ１つ見る事ができます

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

なぜなら分子同士が十分離れているので

that we can tell them apart.

個々の分子を識別できるからです

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

ここでは今まで視認できなかったものを 見えるようにすることが目標です

We can turn things that might seem small and obscure

小さくはっきりしないしないものを

and blow them up

膨らませて

until they're like constellations of information about life.

生物が持つ情報の集合体が 星座のように見られます

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

これがその様子を示す 実際のビデオです

We have here a little brain in a dish --

培養皿に小さな脳が・・・

a little piece of a brain, actually.

脳の一部が少しあります

We've infused the polymer in,

ポリマーが注入されています

and now we're adding water.

これに水を加えます

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

皆様の目の前で起こるのは・・・

this video is sped up about sixtyfold --

このビデオは60倍に 圧縮されています

this little piece of brain tissue is going to grow.

この小さな脳組織が大きくなります

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

百倍あるいはそれ以上の大きさにもなり得ます

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

これが巧くできているのは ポリマーがとても小さいので

we're separating biomolecules evenly from each other.

生体分子を等間隔に 分離させている事です

It's a smooth expansion.

スムーズな膨張です

We're not losing the configuration of the information.

情報の配置関係は失われてはいません

We're just making it easier to see.

ただ見やすくしているだけです

So now we can take actual brain circuitry --

これで実際の脳の神経回路を 見る事ができます

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

例えば ここに記憶を司る 脳の部分があります

and we can zoom in.

ここにズームインして

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

神経回路がどのように配線されているか 見る事ができます

Maybe someday we could read out a memory.

恐らく将来は記憶を 読み取れるようになるかも

Maybe we could actually look at how circuits are configured

神経回路がどのようになって

to process emotions,

感情を生み出しているのか

how the actual wiring of our brain is organized

神経回路の繫がりがどうなって ヒトとしての我々を作っているのか

in order to make us who we are.

見られるようになるかも知れません

And of course, we can pinpoint, hopefully,

もちろん うまく行けば 的確に

the actual problems in the brain at a molecular level.

脳内の実際の問題箇所を 分子レベルで突き止められるので

What if we could actually look into cells in the brain

脳内の細胞を実際に見て

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

「この17個の分子が脳組織に変化を起こして てんかんの原因となっているんだ」

in this brain tissue that has been undergoing epilepsy

とか

or changing in Parkinson's disease

パーキンソン病における推移を見られ

or otherwise being altered?

または修復できるとしたらすごいですね

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

悪い箇所の系統立ったリストが手に入るなら

those become our therapeutic targets.

それが治療の標的となり

We can build drugs that bind those.

そこに結合する薬が作られます

We can maybe aim energy at different parts of the brain

脳の特定箇所に 集中的にエネルギー照射をして

in order to help people with Parkinson's or epilepsy

パーキンソン病やてんかんの患者や

or other conditions that affect over a billion people

その他の脳疾患を持つ 世界中の十億以上の人々を

around the world.

助けられるかも知れません

Now, something interesting has been happening.

面白いことが今起きています

It turns out that throughout biomedicine,

医学において生体分子を 拡大して観察できることが

there are other problems that expansion might help with.

助けとなる他の問題があるのです

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

これは乳がん患者の生検材料です

It turns out that if you look at cancers,

このように癌や

if you look at the immune system,

免疫組織など

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

また加齢や成長過程を見ると

all these processes are involving large-scale biological systems.

これらは全て 生物学的システム全体が関与していますが

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

もちろん それらの問題は 人体が機能する為の細胞や臓器を作る

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

ナノスケールの分子から始まっています

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

そこで今 我々は

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

様々な病気に広く使えないかと このテクノロジーを使い

in a wide variety of diseases.

生命の構成単位の地図作りに 取り組んでいます

Can we actually pinpoint the molecular changes in a tumor

癌に起きる分子の変化を ピンポイントで見つけ

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

巧い方法でそれを捉えて

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

ちょうどその箇所に薬を運び 除きたい細胞だけをとり除けないか？

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

ご存知のように薬の多くには 危険を伴い

Sometimes, it's even guesswork.

時には当てずっぽうで投与されます

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

私の希望は月に行くかのような 危険性の高い無謀な治療を

into something that's more reliable.

もっと確かなものにすることです

If you think about the original moon shot,

もっとも実際にあった月旅行は

where they actually landed on the moon,

月に着陸したので

it was based on solid science.

堅固な科学に基づいていました

We understood gravity;

重力や

空気力学の理解に基づき

we understood aerodynamics.

We knew how to build rockets.

宇宙船は作られました

The science risk was under control.

リスクが科学的にコントロールされた

It was still a great, great feat of engineering.

それは それは偉大なる 技術の集結でしたが

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

医療では そんな法則が 必ずしもあるとは言えません

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

医療に重力や空気力学のような

that are analogous to aerodynamics?

そんな法則がありますか？

I would argue that with technologies

今日私が話しているような

like the kinds I'm talking about today,

テクノロジーを使いそんな法則を

maybe we can actually derive those.

導き出せるかもしれません

We can map the patterns that occur in living systems,

生体のシステム内で 起きているパターンの地図を作り

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

我々を悩ます病気を克服する方法を 見つけられます

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

私と妻には幼い二人の子供たちがいます

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

生物工学者として私は 子供たちのために今より良い未来をと

than it currently is for us.

願っています

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

そして生物学と医療を

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

偶然と運にだけに頼る 危険性の高い試みから

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

日々精進して技能を磨き 可能なものにできるならば

then that would be a great advance.

それは 大きな進歩となるでしょう

Thank you very much.

ありがとうございました

(Applause)

（拍手）