Ed Boyden: A light switch for neurons

Translator: Aurelija Lukoseviciene Reviewer: Gina Bei

Akimirkai pagalvokite apie savo dieną.

Think about your day for a second.

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

Atsikėlėte, jautėte šviežią orą ant savo veido, kai ėjote pro duris,

encountered new colleagues and had great discussions

sutikote naujų kolegų, puikiai padiskutavote,

ir jautėte pagarbią baimę, kai atradote kažką naujo.

and felt in awe when you found something new.

Bet lažinuosi, kad yra kai kas, apie ką šiandien nepagalvojote.

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

Kažkas taip arti namų,

something so close to home,

kad veikiausiai apie tai labai dažnai iš vis negalvojate.

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

Ir tai yra tai, kad visiems pojūčiams, jausmams,

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

sprendimams ir veiksmams

tarpininkauja kompiuteris jūsų galvoje,

are mediated by the computer in your head

vadinamas smegenimis.

called your brain.

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

Iš išorės smegenys gali atrodyti ne per daug ypatingos -

pora kilogramų rausvai pilkšvo audinio,

a couple pounds of pinkish-gray flesh,

be aiškios formos.

amorphous.

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

Bet paskutinis neuromokslų šimtmetis

leido mums pažiūrėti į smegenis iš arčiau

and to see the intricacy of what lies within.

ir pamatyti sudėtingumą to, kas slypi viduje.

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

Ir jie mums atskleidė, kad smegenys

yra neįtikėtinai sudėtinga grandinė,

made out of hundreds of billions of cells called neurons.

sudaryta iš šimtų milijardų ląstelių, vadinamų neuronais.

Now, unlike a human-designed computer,

Skirtingai nuo žmogaus sukurto kompiuterio,

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

kur skirtingų sudedamųjų dalių kiekis yra gana mažas,

ir mes žinom kaip jie veikia, nes mes, žmonės, juos ir sukūrėme,

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

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

smegenys sudarytos iš tūkstančių skirtingų ląstelių rūšių,

gal dešimčių tūkstančių.

maybe tens of thousands.

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

Jos būna skirtingų formų, jos sudarytos iš skirtingų molekulių,

ir jos jungia skirtingas smegenų dalis.

they project and connect to different brain regions.

Jos taip pat pasikeičia skirtingais būdais skirtingose ligų stadijose.

They also change in different ways in different disease states.

Sukonkretinkime tai.

Let's make it concrete.

There's a class of cells,

Yra grupė ląstelių,

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

tai gana maža ląstelė, slopinanti ląstelė, kuri nutildo savo kaimynus.

Tai viena iš ląstelių, kurios manomai atrofuojasi esant tokiems sutrikimams kaip šizofrenija.

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

in disorders like schizophrenia.

It's called the basket cell.

Ji vadinama krepšine nervine ląstele.

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

Ir ši ląstelė yra viena iš tūkstančio rūšių,

apie kurias mes sužinome.

that we're learning about.

New ones are being discovered every day.

Naujos rūšys atrandamos kasdien.

Kaip ir antras pavyzdys:

As just a second example:

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

yra piramidiniai neuronai, didelės ląstelės,

jos gali aprėpti žymią smegenų dalį.

of the brain.

Jos yra sužadinančios.

They're excitatory.

Ir tai vienos iš ląstelių,

And these are some of the cells that might be overactive

kurios, manoma, yra pernelyg aktyvios esant tokiems sutrikimams kaip epilepsija.

in disorders such as epilepsy.

Kiekviena iš šių ląstelių

Every one of these cells is an incredible electrical device.

yra nuostabus elektrinis prietaisas.

They receive inputs from thousands of upstream partners

Jos gauna signalus iš tūkstančio priešsrovinių partnerių,

ir apskaičiuoja savo elektrinius signalus,

and compute their own electrical outputs,

which then, if they pass a certain threshold,

kurie, jei perkopia tam tikrą ribą,

bus siunčiami tūkstančiams pasrovinių partnerių.

will go to thousands of downstream partners.

Ir šis procesas, kuris užtrunka apie vieną milisekundę,

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

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

vyksta tūkstančius kartų per minutę

kiekvienoje iš jūsų 100 milijardų ląstelių,

as long as you live and think and feel.

visą laiką kol jūs gyvenate,

galvojate, jaučiate.

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

Taigi, kaip išsiaiškinti, ką ši grandinė daro?

Idealiu atveju, mes galėtume sekti šia grandine,

Ideally, we could go through this circuit

išjungti ir įjungti skirtingas ląstelių rūšis

and turn these different kinds of cell on and off

and see whether we could figure out

ir pažiūrėti, ar galime išsiaiškinti,

which ones contribute to certain functions

kurios iš jų prisideda prie tam tikrų funkcijų

and which ones go wrong in certain pathologies.

ir kurios sutrinka esant tam tikroms patologijoms.

Jei galėtume aktyvuoti ląsteles, galėtume matyti, kokias galias jos išlaisvina,

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

ką jos inicijuoja ir palaiko.

what they can initiate and sustain.

Jei galėtume jas išjungti,

If we could turn them off,

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

Tada galėtume pabandyti išsiaiškinti, kam jos būtinos.

Ir tai istorija, kurią aš jums šiandien papasakosiu.

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

Kalbant atvirai, tai, per ką mes perėjome pastaruosius 11 metų,

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

per bandymus atrasti būdus

through an attempt to find ways

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

išjungti ir įjungti smegenų grandines, ląsteles, sritis

ir kanalus,

on and off,

kad suprastume mokslą ir

both to understand the science

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

susiremtume su kai kuriais klausimais,

kurie rūpi mums visiems, kaip žmonėms.

Now, before I tell you about the technology,

Prieš man papasakojant apie technologijas,

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

bloga naujiena yra tai, kad žymi dalis mūsų šioje salėje,

jei gyvensime pakankamai ilgai,

if we live long enough,

will encounter, perhaps, a brain disorder.

veikiausiai susidursime su smegenų liga.

Jau milijardas žmonių

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

yra patyrę kokią nors smegenų ligą,

kuri juos suluošino.

that incapacitates them.

The numbers don't do it justice, though.

Ir skaičiai neatspindi visos tikrovės.

These disorders -- schizophrenia, Alzheimer's,

Šie susirgimai - šizofrenija, Alzheimerio liga,

depresija, priklausomybė -

depression, addiction --

they not only steal away our time to live,

jie ne tik vagia laiką iš mūsų gyvenimo, bet ir pakeičia mus.

they change who we are.

They take our identity and change our emotions

Jie pasiima mūsų tapatybę, pakeičia emocijas

and change who we are as people.

ir pakeičia mus kaip žmones.

Now, in the 20th century,

20-ajame amžiuje

buvo suteikta šiek tiek vilties,

there was some hope that was generated

through the development of pharmaceuticals for treating brain disorders.

kuriant medikamentus smegenų ligoms gydyti.

Ir nors buvo sukurta daug vaistų,

And while many drugs have been developed

that can alleviate symptoms of brain disorders,

kurie gali palengvinti smegenų ligų simptomus,

praktiškai negalima sakyti, kad nors viena iš jų būtų išgydyta.

practically none of them can be considered to be cured.

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

Iš dalies taip yra todėl, kad mes maudome savo smegenis chemikaluose.

we're bathing the brain in a chemical --

Ši sudėtinga grandinė

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

sudaryta iš tūkstančio skirtingų ląstelių rūšių

panardinama į kažkokią medžiagą.

is being bathed in a substance.

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

Taip pat dėl to tikriausiai dauguma, jei ne visi, rinkoje esantys vaistai

gali sukelti kokį nors rimtą pašalinį poveikį.

can present some kind of serious side effect too.

Kai kuriems žmonėms taip pat suteikiama šiokia tokia paguoda

Now some people have gotten some solace from electrical stimulators

implantuojant į smegenis elektrinius stimuliatorius.

that are implanted in the brain,

for Parkinson's disease or cochlear implants.

Parkinsono ligai gydyti,

kochleariniai implantai,

These have indeed been able to bring some kind of remedy

jie iš tiesų sugebėjo

suteikti šiokią tokią pagalbą

to people with certain kinds of disorders.

žmonėms su tam tikrais susirgimais.

But electricity also will go in all directions --

Bet elektra taip pat sklinda visomis kryptimis -

the path of least resistance --

mažiausio pasipriešinimo keliu,

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

kas iš dalies ir nulemia šios frazės reikšmę.

and will also affect normal circuits,

Ji paveiks ir sveikas grandines, ne tik tas, sutrikusias, kurias norite pataisyti.

as well as the abnormal ones you want to fix.

Taigi mes vėl grįžtame prie idėjos

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

apie ypatingo tikslumo valdymą.

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

Ar mes galėtume įvesti informaciją tiksliai ten, kur norime, kad ji nukeliautų?

Taigi, kai pradėjau dirbti neuromokslų srityje prieš 11 metų,

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

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

turėjau elektros inžinieriaus ir fiziko išsilavinimą,

the first thing I thought about was,

ir pirmas dalykas, apie kurį pagalvojau,

if these neurons are electrical devices,

buvo, kad jei šie neuronai yra elektros prietaisai,

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

viskas, ką reikia padaryti, tai surasti būdą,

reguliuoti tuos elektrinius pokyčius per atstumą.

at a distance.

Jei galėtume įjungti elektros energiją vienoje ląstelėje,

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

bet ne jos kaimynėse,

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

tai mums duotų įrankį aktyvuoti ir išjungti visas tas skirtingas ląsteles,

kad išsiaiškintume, ką jos daro ir kaip prisideda

to figure out what they do

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

prie tų tinklų, kuriuose jos įsitvirtinusios.

Ir tai taip pat leistų mums turėti ypatingo tikslumo valdymą, kurio mums reikia,

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

kad grandinėje pataisytume skaičiavimus,

to fix the circuit computations that have gone awry.

kurie išsikraipė.

Now, how are we going to do that?

Tai kaip gi mes tai padarysime?

Well, there are many molecules that exist in nature

Na, gamtoje yra daug molekulių,

kurios sugeba paversti šviesą elektra.

which are able to convert light into electricity.

Galite apie jas galvoti kaip apie mažus baltymus,

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

kurie yra kaip saulės baterijos.

If we install these molecules in neurons somehow,

Jei šias molekules kaip nors įtaisysime neuronuose,

then these neurons would become electrically drivable with light,

šių neuronų elektriniai impulsai taptų valdomi šviesa.

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

O jų kaimynai, kurie neturi tos molekulės, paveikti nebūtų.

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

Yra vienas magiškas triukas, kurio reikia, kad tai taptų įmanoma,

tai galimybė šviesai patekti į smegenis.

the ability to get light into the brain.

The brain doesn't feel pain.

Kad tai atsitiktų, - smegenys nejaučia skausmo, - galime įstatyti, -

Taking advantage of all the effort

naudodamiesi tomis pastangomis,

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

kurios buvo sudėtos į internetą ir komunikacijas ir taip toliau, -

you can put optical fibers connected to lasers

šviesolaidžius, sujungtus su lazeriais,

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

kuriuos galime naudoti, pavyzdžiui, bandomiesiems gyvūnams,

priešklinikiniuose tyrimuose,

these neurons and see what they do.

sužadinti tam tikrus neuronus ir pažiūrėti, ką jie daro.

Kaip tai padaryti?

So how do we do this?

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

Apie 2004-uosius

bendradarbiaudami su Gerhardu Nageliu ir Karlu Deiserotu,

this vision came to fruition.

mes įgyvendinome šią viziją

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

Yra tam tikras dumblis, kuris gyvena gamtoje

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

ir jam reikia plaukti link šviesos,

kad galėtų optimaliai fotosintetinti.

And it senses light with a little eyespot,

Šviesą jis jaučia maža akute,

which works not unlike how our eye works.

kuri veikia ne labai skirtingai nuo mūsų akies.

In its membrane, or its boundary,

Jos membranoje arba jos sienelėje,

it contains little proteins

yra maži baltymai,

kurie gali paversti šviesą elektra.

that indeed can convert light into electricity.

Šios molekulės vadinamos kanalo-rodopsinais.

These molecules are called channelrhodopsins.

And each of these proteins acts just like that solar cell

Ir kiekvienas iš šių baltymų veikia kaip ta saulės baterija, apie kurią jums pasakojau.

that I told you about.

Kai šviečia mėlyna šviesa, jis atveria mažą skylutę

When blue light hits it,

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

ir leidžia įkrautoms dalelėms patekti į akutę.

Ir taip akutė gali išskirti elektrinį signalą.

that allows this eyespot to have an electrical signal,

Visai kaip saulės elementas, kraunantis bateriją.

just like a solar cell charging a battery.

So what we need to do is take these molecules

Ką mums reikia padaryti, tai paimti šias molekules

ir kaip nors įdiegti jas į neuronus.

and somehow install them in neurons.

And because it's a protein,

Ir todėl, kad tai baltymas,

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

jis užkoduotas šio organizmo DNR.

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

Taigi, viskas, ką mums reikia padaryti, tai paimti tą DNR,

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

įdėti ją į genų terapijos vektorių, pavyzdžiui, virusą,

and put it into neurons.

ir įkelti į neuronus.

And this was a very productive time in gene therapy,

Paaiškėjo, kad tai buvo labai produktyvus metas genų terapijoje,

and lots of viruses were coming along,

daug virusų buvo sėkmingai naudojami.

so this turned out to be fairly simple.

Taigi, paaiškėjo, kad tai padaryti labai paprasta.

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

Ir vieną ankstų rytą, 2004-ųjų vasarą,

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

mes tai išbandėme ir viskas suveikė iš pirmo karto.

Paimate DNR ir įkeliate į neuroną.

You take this DNA and put it into the neuron.

The neuron uses its natural protein-making machinery

Neuronas naudoja savo natūralius baltymų gamybos mechanizmus,

to fabricate these little light-sensitive proteins

pagamina šiuos mažus šviesai jautrius baltymus,

ir įtaiso juos visoje ląstelėje,

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

kaip saulės baterijas ant stogo.

And the next thing you know,

Ir nespėjus net apsidairyti,

you have a neuron which can be activated with light.

turite neuroną, kuris gali būti aktyvuotas šviesa.

Tai labai galinga.

So this is very powerful.

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

Vienas iš triukų, kuruos turite įgyvendinti,

tai sugalvoti, kaip nusiųst tuos genus į norimas ląsteles,

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

bet ne į visus kitus jų kaimynus.

Ir tai galima padaryti. Galima suderinti virusus,

And you can do that;

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

kad jie pultų tik vienas ląsteles, bet ne kitas.

Ir yra kitų genetinių triukų, kuriuos galite pasitelkti,

And there's other genetic tricks you can play

kad gautumėte šviesa aktyvuojamas ląsteles.

in order to get light-activated cells.

Ši sritis dabar tapo žinoma kaip optogenetika.

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

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

Ir vienas iš pavyzdžių, to, ką galite padaryti,

galite paimti tankų tinklą,

you can take a complex network,

use one of these viruses to deliver the gene

panaudoti vieną iš šių virusų, kad pristatytų geną,

tik į vieno tipo ląsteles šiame tankiame tinkle.

just to one kind of cell in this dense network.

And then when you shine light on the entire network,

Ir kai apšviečiate šviesa visą tinklą,

just that cell type will be activated.

bus aktyvuotos tik to tipo ląstelės.

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

Pagalvokime, pavyzdžiui, apie krepšines ląsteles, apie kurias jums pasakojau anksčiau.

tas, kurios atrofuojasi esant šizofrenijai

the one that's atrophied in schizophrenia

ir kurios yra slopinančios.

and the one that is inhibitory.

Jei galėtume nusiųsti tą geną į šias ląsteles, -

If we can deliver that gene to these cells --

ir jos, žinoma, nepasikeis dėl to geno raiškos -

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

ir tada apšviesti visą smegenų tinklą mėlyna šviesa,

then flash blue light over the entire brain network,

just these cells are going to be driven.

tik šios ląstelės pradės veikti.

Ir kai šviesa išjungiama, šios ląstelės vėl grįžta į normalią būseną,

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

taigi, atrodo, jos nereaguoja į tai priešiškai.

there don't seem to be adverse events.

Not only can you study what these cells do,

Tai galima panaudoti ne tik studijuojant, ką šios ląstelės daro,

what their power is in computing in the brain,

kokia jų įtaka smegenų informacijos apdorojime,

bet taip pat tam, kad išsiaiškintume, -

you can also use this to try to figure out

gal galime taip pat paskatinti šių ląstelių veiklą,

if we could jazz up the activity of these cells

jei jos iš tikrųjų atrofavęsi.

if indeed, they're atrophied.

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

Dabar noriu jums papasakoti keletą trumpų istorijų.

apie tai, kaip mes tai panaudojame,

both at the scientific clinical and preclinical levels.

moksliniame, klinikiniame ir priešklinikiniame lygyje.

One of the questions that we've confronted is:

Vienas iš klausimų, su kuriais susidūrėme,

What signals in the brain mediate the sensation of reward?

yra: kokie smegenų signalai sukelia atlygio jausmą?

Because if you could find those,

Nes jei rastume juos,

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

tai galėtų būti signalai skatinantys mokymąsi.

Smegenys darys daugiau to, už ką gauna tą atlygį.

the brain will do more of what got that reward.

Ir tai tie patys signalai. kurie išsikraipo esant priklausomybei.

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

Taigi, jei galėtume išsiaiškinti, kurios tai ląstelės,

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

galėtume rasti naujus taikinius,

kuriems būtų kuriami ar kurių neveiktų tam tikri vaistai,

for which drugs can be designed or screened against

arba vietas, kur galima būtų įdėti elektrodus

or maybe places where electrodes could be put in

ypač didelę negalią turintiems žmonėms.

for people who have severe disability.

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

Tam mes sukūrėme labai paprastą paradigmą,

bendradarbiaudami su Fiorella grupe,

in collaboration with the Fiorillo group,

vienoje šios dėžutės pusėje,

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

jei gyvūnas eina ten, jis gauna šviesos impulsą

it gets a pulse of light.

kai kurios ląstelės jo smegenyse jautrios šviesai.

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

Jei tos ląstelės tarpininkauja atlygiui,

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

gyvūnas ten turėtų vis eiti ir eiti.

Ir štai, kas nutinka.

And that's what happens.

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

Šis gyvūnas eis į dešinę pusę ir įkiš savo nosį ten,

ir kiekvieną kartą, jis gauna mėlynos šviesos žybsnį.

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

Ir jis tai kartos šimtus kartų.

He'll do that hundreds of times.

Tai - dopamino neuronai,

These are the dopamine neurons,

apie juos kai kurie iš jūsų esate girdėję, - dalis malonumo centrų smegenyse.

in some of the pleasure centers in the brain.

Mes įrodėme, kad trumpa jų aktyvacija

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

yra užtektina paskata mokymuisi.

Dabar mes galime šią idėją apibendrinti.

Now we can generalize the idea.

Vietoje vieno smegenų taško,

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

mes galime sukurti smegenis perdengiančius prietaisus,

kurie gali skleisti šviesą trimačiais modeliais -

that can deliver light into three-dimensional patterns --

šviesolaidžių rinkiniai,

arrays of optical fibers,

kiekvienas sujungtas su nepriklausomu šviesos šaltiniu.

each coupled to its own independent miniature light source.

Ir tada galime daryti in vivo

Then we can try to do things in vivo

tai, kas iki šiol buvo daroma mėgintuvėlyje -

that have only been done to date in a dish,

like high-throughput screening throughout the entire brain

kaip kad aukšto pralaidumo visų smegenų skanavimas,

ieškant signalų, sąlygojančių skirtingus dalykus.

for the signals that can cause certain things to happen

Arba į juos galėtų būti nukreipti klinikiniai tyrimai,

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

smegenų ligų gydymui.

Viena iš istorijų, apie kurias noriu papasakoti,

One story I want to tell you about is:

yra kaip mes randame taikinius gydyti potrauminio streso sindromui, -

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

vienai iš nekontroliuojamo nerimo ir baimės formų.

a form of uncontrolled anxiety and fear?

Vienas iš dalykų, kuriuos padarėme,

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

tai pasinaudojome klasikiniu baimės modeliu.

This goes back to the Pavlovian days.

Jis siekia Pavlovo dienas.

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

Tai vadinama Pavlovo baimės sąlygojimu, -

Garsas baigiamas trumpu šoku.

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

Šokas neskausmingas, bet truputį erzinantis.

Ir su laiku, - šiuo atveju pelė,

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

kuri yra geras bandomasis gyvūnas dažnai naudojamas tokiems eksperimentams, -

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

gyvūnas išmoksta bijoti garso.

the animal learns to fear the tone.

Gyvūnas reaguos sustingdamas,

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

kaip elnias automobilio žibintų šviesoje.

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

Klausimas yra, kokius taikinius mes galime rasti smegenyse,

that allow us to overcome this fear?

kurie leistų mums nugalėti šia baimę?

Taigi, mes vėl grojame tą garsą,

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

po to kai jis jau susietas su baime.

Bet smegenyse aktyvuojame kitas ląsteles,

But we activate different targets in the brain,

naudodami šviesolaidžių rinkinį, apie kurį pasakojau ankstesnėje skaidrėje,

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

kad pabandytume išsiaiškinti, kurie taikiniai

in order to try and figure out

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

gali padėti smegenims nugalėti tą baimės atsiminimą.

Šis trumpas filmukas

This brief video shows you one of these targets

parodo vieną iš taikinių, su kuriais dirbame.

that we're working on now.

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

Tai sritis prefrontalinėje smegenų žievėje,

regionas, kuriame galime panaudoti savo žinojimą, kad nugalėtume neigiamas emocines būsenas.

to try to overcome aversive emotional states.

Gyvūnas išgirs garsą, - ir čia taip pat žybtelėjo šviesa.

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

Čia nėra garso, bet matote - gyvūnas sustingsta.

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

Šis garsas reikšdavo kažką blogo.

the tone used to mean bad news.

Apatiniame kairiame kampe yra laikrodis,

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

taigi matote, kad nuo bandymo pradžios praėjo dvi minutės.

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

O dabar - kitas filmukas,

This next clip is just eight minutes later.

tik po aštuonių minučių.

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

Tas pats garsas skambės ir šviesa vėl plykstelės.

Va, tai vyksta. Kaip tik dabar.

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

O dabar matote, kad tik po 10 eksperimento minučių,

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

mums pavyko įgalinti smegenis, fotoaktyvuojant šią sritį,

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

nugalėti baimės atsiminimų

to overcome the expression of this fear memory.

reiškinius.

Per paskutinius keletą metų, mes grįžome prie gyvybės medžio,

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

nes norėjome rasti būdus smegenų grandinėms išjungti.

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

Jei galėtume taip padaryti, tai būtų labai galinga.

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

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

Jei galima ištrinti ląsteles kelioms milisekundėms ar sekundėms,

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

galima išsiaiškinti, kokį būtiną vaidmenį jos vaidina

tose grandinėse, kuriose jos yra.

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

Dabar, kai jau išnagrinėjome organizmų iš viso gyvybės medžio -

iš kiekvienos karalystės, išskyrus gyvūnus, mes viską matome kiek kitaip.

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

Mes radome visokių rūšių molekulių, jos vadinamos halorodopsinais arba archėjų rodopsinais,

We found molecules called halorhodopsins or archaerhodopsins,

kurie reaguoja į žalią ir geltoną šviesą.

that respond to green and yellow light.

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

Ir jie elgiasi priešingai, nei molekulė, apie kurią pasakojau pradžioje,

turinti mėlyna šviesa aktyvuojamo kanalo-rodopsino.

with the blue light activator, channelrhodopsin.

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

Duosiu pavyzdį, kur, mūsų manymu, tai galėtų nuvesti.

Consider, for example, a condition like epilepsy,

Pagalvokite apie susirgimą, kaip epilepsija,

where the brain is overactive.

kai smegenų ląstelės yra per aktyvios.

Now, if drugs fail in epileptic treatment,

Jei vaistai nuo epilepsijos neveikia,

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

viena iš strategijų yra pašalinti dalį smegenų.

Bet tai, žinoma, negrįžtama ir gali turėti šalutinių pasekmių.

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

Kas, jei galėtume tiesiog trumpam išjungti tą smegenų dalį,

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

kol priepuolis praeis,

until the seizure dies away,

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

ir atstatyti smegenis į pradinę būklę,

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

kaip dinaminę sistemą, kuri švelniai grąžinama į stabilią būseną.

Šis filmukas tiesiog bando paaiškinti šią idėją,

This animation tries to explain this concept

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

kai padarome šias ląsteles išjungiamas su šviesa

ir apšviečiame jas,

and we beam light in,

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

tik taip ilgai, kaip būtina priepuoliui nuslopinti,

tikimės kad galėsime jas išjungti.

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

Mes neturime ko jums parodyti šioje srityje,

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

bet tai labai jaudinantis dalykas.

but we're very excited about this.

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

Norėčiau baigti viena istorija,

kuri, mes manome, yra dar viena galimybė, -

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

kuri yra, kad galbūt tos molekulės, jei galim pasiekti ypač tikslią kontrolę,

galėtų būti naudojamos pačiose smegenyse,

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

kuriant naujus protezus, optinius protezus.

an optical prosthetic.

Aš jau minėjau, kad elektriniai stimuliatoriai nėra reti.

I already told you that electrical stimulators are not uncommon.

75 000 žmonių su Parkinsono liga turi giliųjų smegenų stimuliatorius.

Seventy-five thousand people

have Parkinson's deep-brain stimulators implanted,

Gal 100 000 žmonių turi kochlearinius implantus,

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

kurie leidžia jiems girdėti.

Yra dar vienas dalykas - reikia perkelti tuos genus į ląsteles.

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

Ir nauja viltis genų terapijoje jau vystoma,

A new hope in gene therapy has been developed,

because viruses like the adeno-associated virus --

nes virusai, kaip adenoasocijuoti virusai,

kurių veikiausiai turi dauguma šioje salėje,

which probably most of us around this room have;

ir kurie nesukelia jokių simptomų,

it doesn't have any symptoms --

jau naudojami šimtams pacientų,

have been used in hundreds of patients

to deliver genes into the brain or the body.

kad genai būtų pristatyti į smegenis ar į kūną.

And so far, there have not been serious adverse events

Kol kas dar nebuvo jokių rimtų neigiamų pasekmių,

kurias būtų galima sieti su virusu.

associated with the virus.

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

Yra dar vienas neaptartas dalykas, patys baltymai,

which come from algae, bacteria and funguses

jie imami iš dumblių, bakterijų ir grybų,

and all over the tree of life.

iš viso gyvybės medžio.

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

Daugelis mūsų smegenyse neturime dumblių ir grybų,

tai kaip mūsų smegenys reaguos, jei juos ten įdėsime?

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

Ar ląstelės juos toleruos? Ar sureaguos imuninė sistema?

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

Šiame ankstyvame periode, - tai dar nebuvo išbandyta su žmonėmis, -

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

bet mes atliekame daug skirtingų studijų,

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

kad tai ištirtume.

Ir kol kas nematėme jokių pakankamai stiprių tiesioginių reakcijų

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

į šias molekules

to these molecules

or to the illumination of the brain with light.

ar į smegenų apšvietimą šviesa.

Taigi, atvirai, dar labai anksti, bet mes tuo labai užsidegę.

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

Ir pabaigai viena istorija,

I wanted to close with one story,

which we think could potentially be a clinical application.

kuri, mūsų manymu, galėtų potencialiai turėti

klinikinį pritaikymą.

Now, there are many forms of blindness

Yra daug aklumo rūšių,

kai fotoreceptoriai,

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

arba šviesos jutikiliai išnyksta iš mūsų akies.

are gone.

And the retina is a complex structure.

Ir tinklainė, žinoma, yra sudėtingas darinys.

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

Priartinkime ją, kad galėtume viską matyti detaliau.

šviesai jautrios ląstelės parodytos čia, viršuje,

The photoreceptor cells are shown here at the top.

The signals that are detected by the photoreceptors are transformed

tada signalai, kurie aptinkami šiomis ląstelėmis,

pakeičiami įvairių skaičiavimų,

via various computations

kol galiausiai apatinis ląstelių sluoksnis, ganglinės ląstelės,

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

perduoda informaciją smegenims,

relay the information to the brain,

kur mes matome tai, kaip suvokimą.

where we see that as perception.

Daugelyje aklumo formų, kaip tinklainės pigmentacija,

In many forms of blindness, like retinitis pigmentosa

or macular degeneration,

arba geltonosios dėmės degeneracija,

the photoreceptor cells have atrophied or been destroyed.

šviesai jautrios ląstelės atrofavosi arba buvo sunaikintos.

Now, how could you repair this?

Na ir kaip tai pataisyti?

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

Neaišku net ar vaistai galėtų jas atstatyti,

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

nes nebelieka nieko, ką vaistas galėtų veikti.

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

Kita vertus, šviesa vis dar gali patekti į akį.

Akis vis dar permatoma ir galima įleisti ten šviesą.

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

Tai kas, jei mes tiesiog paimsime tuos kanalo-rodopsinus ir kitas molekules

So what if we could take these channelrhodopsins and other molecules

ir įdiegsime jas į kai kurias iš kitų likusių ląstelių,

and install them on some of these other spared cells

ir paversime jas į mažas kameras.

and convert them into little cameras?

Ir todėl, kad akyje šių ląstelių yra tiek daug,

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

jos galėtų potencialiai būti labai geros skiriamosios gebos kameros.

potentially, they could be very high-resolution cameras.

Taigi, tai kai kurie darbai, kuriuos darome.

This is some work that we're doing,

Jiems vadovauja vienas iš mūsų bendradarbių,

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

Alanas Horsageris iš PKU (JAV).

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

ir juos bando komercializuoti naujai įsteigta kompanija Eos Neuroscience,

finansuojama NSI (JAV).

which is funded by the NIH.

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

Čia matote pelę, kuri bando pereiti labirintą.

Tai labirintas su šešiomis atšakomis ir su trupučiu vandens,

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

kad pelė būtų skatinama judėti, antraip ji tiesiog sėdėtų ten.

Ir, žinoma, šio labirinto tikslas

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

yra išlipti iš vandens ir pasiekti mažą pakylą,

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

kuri yra po apšviesta anga.

Pelės gudrios, taigi ši pelė galiausiai pereina labirintą,

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

but he does a brute-force search.

bet ji naudoja buką paiešką.

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

Ji plaukia į kiekvieną atšaką, kol pagaliau pasiekia pakylą.

He's not using vision to do it.

Taigi, ji tam nenaudoja regos.

These different mice are different mutations

Šios skirtingos pelės turi skirtingas mutacijas,

kurios atitinka skirtingas aklumo rūšis, kurios veikia žmones.

that recapitulate different kinds of blindness that affect humans.

Taigi mes stengiamės atsargiai žiūrėti į visus šiuos skirtingus modelius,

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

kad galėtume pasiūlyti apibendrintą požiūrį.

so we come up with a generalized approach.

Taigi kaip tai ruošiamės išspręsti?

So how can we solve this?

Mes darysime būtent tai, ką nurodėme ankstesnėje skaidrėje.

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

Mes paimsime šiuos mėlynai šviesai jautrius fotosensorius

We'll take these blue light photo sensors

ir įdiegsime į ląstelių sluoksnį,

and install them onto a layer of cells

tinklainės viduryje akies gilumoje

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

and convert them into a camera --

ir paversime jas kamera.

just like installing solar cells all over those neurons

Taip pat kaip saulės elementų instaliavimas tuose neuronuose,

kad jie taptų jautrūs šviesai.

to make them light-sensitive.

Light is converted to electricity on them.

Šviesa juose verčiame elektros srove.

So this mouse was blind a couple weeks before this experiment

Taigi, ši pelė buvo akla prieš keletą savaičių iki šio eksperimento

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

ir gavo šių šviesai jautrių molekulių dozę viruse.

Ir dabar matote, gyvūnas iš tiesų gali išvengti sienų

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

ir pasiekti šią mažą pakylą,

and go to this little platform

ir vėl naudoti savo akis suvokimui.

and make cognitive use of its eyes again.

Ir kad pabrėžtume viso to jėgą:

And to point out the power of this:

šie gyvūnai gali pasiekti tą pakylą

these animals can get to that platform

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

taip pat greitai kaip gyvūnai, kurie matė visą savo gyvenimą.

Taigi, šis priešklinikinis tyrimas, mano galva,

So this preclinical study, I think, bodes hope

pranašauja tuos dalykus,

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

kuriuos tikimės padaryti ateityje.

Pabaigai noriu pridurti, kad mes taip pat tiriame

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

naujus verslo modelius šiai naujai neurotechnologijos sričiai.

Mes vystome šiuos įrankius,

We're developing tools and sharing them freely

bet mes jais laisvai dalijamės su šimtais grupių visame pasaulyje,

with hundreds of groups all over the world

kad žmonės galėtų studijuoti ir pabandyti išgydyti skirtingus sutrikimus.

for them to study and try to treat different disorders.

Ir mes viliamės, kad kai išsiaiškinsime smegenų grandines

Our hope is that by figuring out brain circuits

iki tokio abstrakcijos lygio, kuris leis jas taisyti ir jas konstruoti,

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

Mes galėsime paimti tuos sunkiai gydomus susirgimus, apie kuriuos pasakojau,

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

nė vienas iš kurių praktiškai nėra išgydytas,

practically none of which are cured,

ir, 21-ame amžiuje, paversti juos istorija.

and in the 21st century, make them history.

Ačiū.

Thank you.

(Applause)

(Plojimai)

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

Chuanas Enrikesas: Kai kurie dalykai čia sunkoki.

(Laughter)

(Juokas)

Bet pasekmės -

But the implications of being able to control seizures or epilepsy

gebėti kontroliuoti priepuolius ir epilepsiją,

with light instead of drugs

su šviesa, vietoj vaistų,

and being able to target those specifically

ir galimybė nusitaikyti į būtent juos,-

is a first step.

yra pirmas žingsnis.

The second thing that I think I heard you say

Kitas dalykas, kurį, man atrodo, jūs sakėte,

is you can now control the brain in two colors,

kad jūs galite kontroliuoti smegenis dviem spalvom.

Kaip įjungimo/išjungimo jungikliu.

like an on-off switch.

Edas Boydenas: Tai tiesa.

Ed Boyden: That's right.

JE: Kas paverčia kiekvieną impulsą einantį per smegenis dvejetainiu kodu.

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

EB: Tiesa, taip.

EB: Right.

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

Taigi su mėlyna šviesa mes galime sužadinti informaciją ir tai lyg vienetas.

Ir viską išjungdami gauname maždaug nulį.

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

Mes viliamės galų gale sukurti smegenų koprocesorius,

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

kurie dirbtų smegenyse,

kad galėtume papildyti jų funkcijas žmonėse su negalia.

so we can augment functions in people with disabilities.

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

JE: Ir teoriškai tai reiškia, kad,

kai pelė jaučia ir uodžia,

girdi, liečia,

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

galima tai suformuoti kaip vienetų ir nulių eilutę.

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

EB: Žinoma, taip. Mes tikimės tai panaudoti kaip būdą ištirti,

kokie neurologiniai kodai gali sukelti tam tikrą elgesį

what neural codes can drive certain behaviors

ir tam tikras mintis, tam tikrus jausmus,

and certain thoughts and certain feelings

ir tai panaudoti, kad suprastume daugiau apie smegenis.

and use that to understand more about the brain.

JE: Does that mean that someday you could download memories

JE: Ar tai reiškia, kad kažkada galėtumėt nuskaityti prisiminimus

and maybe upload them?

ir, galbūt, įkelti juos?

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

EB: Na, tai kai kas, prie ko mes pradedame labai rimtai dirbti.

Mes dabar dirbame su kai kuo,

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

mes bandome iškloti smegenis įrašančiais elementais.

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

Kad galėtume įrašyti informaciją ir įkelti ją atgal, -

sort of computing what the brain needs

kaip ir apskaičiuoti, ko smegenims reikia,

in order to augment its information processing.

kad papildytume jų informacijos apdorojimą.

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

JE: Na, tai turbūt pakeis keletą dalykų. Ačiū. (EB: Ačiū)

EB: Thank you.

(Plojimai)

(Applause)