Grégoire Courtine: The paralyzed rat that walked

Vertaald door: Janneke Meijntjes-Lok Nagekeken door: Christel Foncke

I am a neuroscientist

Ik ben neurowetenschapper,

with a mixed background in physics and medicine.

op het gebied van zowel natuur- als geneeskunde.

My lab at the Swiss Federal Institute of Technology

Mijn laboratorium in het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie

focuses on spinal cord injury,

specialiseert zich in dwarslaesie.

which affects more than 50,000 people

Dit treft wereldwijd jaarlijks

around the world every year,

meer dan 50.000 mensen,

with dramatic consequences for affected individuals,

met dramatische consequenties voor de getroffenen,

whose life literally shatters

wier leven in luttele seconden

in a matter of a handful of seconds.

letterlijk wordt verbrijzeld.

And for me, the Man of Steel,

Christopher Reeve, de 'man van staal',

Christopher Reeve,

is er het best in geslaagd

has best raised the awareness

om de aandacht te vestigen

on the distress of spinal cord injured people.

op het leed van deze groep mensen.

And this is how I started my own personal journey

Dat leidde tot mijn persoonlijke reis

in this field of research,

binnen dit onderzoeksveld,

working with the Christopher and Dana Reeve Foundation.

in samenwerking met de 'Christopher en Dana Reeve Stichting'.

I still remember this decisive moment.

Ik kan me het beslissende moment nog goed herinneren.

It was just at the end of a regular day of work

Het was aan het einde van een gewone werkdag bij de stichting.

with the foundation.

Het was aan het einde van een gewone werkdag bij de stichting.

Chris addressed us, the scientists and experts,

Chris richtte zich tot ons wetenschappers en experts:

"You have to be more pragmatic.

'Jullie moeten pragmatischer zijn.

When leaving your laboratory tomorrow,

Ik wil dat je morgen, na je werk op het laboratorium,

I want you to stop by the rehabilitation center

bij het revalidatiecentrum langsgaat.

to watch injured people

Observeer de patiënten

fighting to take a step,

die vechten voor iedere stap,

struggling to maintain their trunk.

worstelend om zich staande te houden.

And when you go home,

En als je naar huis gaat,

think of what you are going to change in your research

bedenk dan wat je de volgende dag in je onderzoek

on the following day to make their lives better."

gaat veranderen om hun leven te verbeteren.'

These words, they stuck with me.

Deze woorden bleven me bij.

This was more than 10 years ago,

Dat was meer dan 10 jaar geleden,

but ever since, my laboratory has followed

maar sinds die tijd houdt mijn laboratorium zich aan

the pragmatic approach to recovery

de pragmatische aanpak van het

after spinal cord injury.

herstelproces na een dwarslaesie.

And my first step in this direction

Mijn eerste stap in die richting

was to develop a new model of spinal cord injury

was de ontwikkeling van een nieuw dwarslaesie-model,

that would more closely mimic some of the key features of human injury

met een verbeterde imitatie van de hoofdkenmerken van een verwonding,

while offering well-controlled experimental conditions.

onder goed-gecontroleerde experimentele omstandigheden.

And for this purpose, we placed two hemisections

Daartoe plaatsten we 2 hemisecties

on opposite sides of the body.

aan weerskanten van het lichaam.

They completely interrupt the communication

Daardoor wordt de communicatie tussen hersens

between the brain and the spinal cord,

en ruggenmerg volledig verbroken,

thus leading to complete and permanent paralysis

zodat er een volledige en permanente verlamming

of the leg.

van het been optreedt.

But, as observed, after most injuries in humans,

Maar observatie wees uit, dat in de meeste letselgevallen

there is this intervening gap of intact neural tissue

een deel van het zenuwweefsel intact blijft

through which recovery can occur.

en daardoor mogelijkheid tot herstel.

But how to make it happen?

Maar hoe bereik je dat?

Well, the classical approach

De gebruikelijke aanpak

consists of applying intervention

bestaat uit een behandeling

that would promote the growth of the severed fiber

die de aangroei van het beschadigde weefsel

to the original target.

aan het oorspronkelijke onderdeel bevordert.

And while this certainly remained the key for a cure,

Hoewel dit zeker de sleutel tot herstel moest blijven,

this seemed extraordinarily complicated to me.

leek het me toch uiterst gecompliceerd.

To reach clinical fruition rapidly,

Het was duidelijk dat ik,

it was obvious:

om snel klinisch resultaat te bereiken,

I had to think about the problem differently.

het probleem anders zou moeten benaderen.

It turned out that more than 100 years of research

Het bleek dat meer dan 100 jaar aan onderzoek

on spinal cord physiology,

naar de fysiologie van dwarslaesie

starting with the Nobel Prize Sherrington,

- vanaf Nobelprijswinnaar Sherrington -

had shown that

had uitgewezen dat het ruggenmerg

the spinal cord, below most injuries,

had uitgewezen dat het ruggenmerg

contained all the necessary and sufficient neural networks

voldoende neuraal netwerk bevat

to coordinate locomotion,

om de voortbeweging te coördineren.

but because input from the brain is interrupted,

Als de informatie uit de hersens echter wordt onderbroken,

they are in a nonfunctional state, like kind of dormant.

is dat netwerk niet meer functioneel, staat in de slaapstand.

My idea: We awaken this network.

Mijn idee: we maken dit netwerk wakker.

And at the time, I was a post-doctoral fellow in Los Angeles,

In die tijd deed ik een postdoctorale opleiding in Los Angeles,

after completing my Ph.D. in France,

na het behalen van mijn doctoraal in Frankrijk,

where independent thinking

waar onafhankelijk denken

is not necessarily promoted.

niet bepaald wordt aangemoedigd.

(Laughter)

(Gelach)

I was afraid to talk to my new boss,

Ik zag ertegenop om mijn nieuwe baas aan te spreken,

but decided to muster up my courage.

maar besloot mijn moed bij elkaar te rapen.

I knocked at the door of my wonderful advisor,

Ik klopte aan bij mijn fantastische begeleider, Reggie Edgerton,

Reggie Edgerton, to share my new idea.

om mijn nieuwe idee voor te leggen.

He listened to me carefully,

Hij luisterde aandachtig

and responded with a grin.

en reageerde met een grijns.

"Why don't you try?"

'Waarom probeer je het niet?'

And I promise to you,

Ik kan jullie verzekeren

this was such an important moment in my career,

dat dit een heel belangrijk moment in mijn carrière was.

when I realized that the great leader

Ik besefte dat de grote man aan de top

believed in young people and new ideas.

openstond voor jonge mensen en nieuwe ideeën.

And this was the idea:

Dit was mijn idee:

I'm going to use a simplistic metaphor

- ik zal een eenvoudige metafoor gebruiken

to explain to you this complicated concept.

om dit gecompliceerde concept uit te leggen -

Imagine that the locomotor system is a car.

stel je voor dat het bewegingsapparaat een auto is.

The engine is the spinal cord.

De motor is het ruggenmerg.

The transmission is interrupted. The engine is turned off.

De transmissie wordt onderbroken, de motor slaat af.

How could we re-engage the engine?

Hoe krijgen we de motor weer aan de gang?

First, we have to provide the fuel;

Eerst moeten we brandstof toedienen.

second, press the accelerator pedal;

Ten tweede het gaspedaal indrukken.

third, steer the car.

Ten derde de auto besturen.

It turned out that there are known neural pathways

Tijdens de beweging wordt die rol vervuld door al bekende zenuwbanen

coming from the brain that play this very function

Tijdens de beweging wordt die rol vervuld door al bekende zenuwbanen

during locomotion.

die komen vanuit de hersens.

My idea: Replace this missing input

Mijn idee: vervang de ontbrekende toevoer naar het ruggenmerg door

to provide the spinal cord

Mijn idee: vervang de ontbrekende toevoer naar het ruggenmerg door

with the kind of intervention

iets wat de hersens van nature zouden leveren, om toch te kunnen lopen.

that the brain would deliver naturally in order to walk.

iets wat de hersens van nature zouden leveren, om toch te kunnen lopen.

For this, I leveraged 20 years of past research in neuroscience,

Ik maakte daarvoor gebruik van 20 jaar neurowetenschappelijk onderzoek.

first to replace the missing fuel

Eerst om de ontbrekende brandstof te vervangen door farmacologische middelen,

with pharmacological agents

Eerst om de ontbrekende brandstof te vervangen door farmacologische middelen,

that prepare the neurons in the spinal cord to fire,

die de neuronen in het ruggenmerg aanzetten tot ontbranding.

and second, to mimic the accelerator pedal

Ten tweede om met elektrische stimulatie het gaspedaal na te bootsen.

with electrical stimulation.

Ten tweede om met elektrische stimulatie het gaspedaal na te bootsen.

So here imagine an electrode

Denk aan een elektrode die wordt geïmplanteerd

implanted on the back of the spinal cord

aan de achterkant van het ruggenmerg

to deliver painless stimulation.

voor de aanvoer van pijnloze stimulatie.

It took many years, but eventually we developed

Het duurde jaren, maar uiteindelijk ontwikkelden we een elektrochemische neuroprothese,

an electrochemical neuroprosthesis

Het duurde jaren, maar uiteindelijk ontwikkelden we een elektrochemische neuroprothese,

that transformed the neural network

die het neurale netwerk in het ruggenmerg omzette van slapend in zeer functioneel.

in the spinal cord from dormant to a highly functional state.

die het neurale netwerk in het ruggenmerg omzette van slapend in zeer functioneel.

Immediately, the paralyzed rat can stand.

De verlamde rat gaat ogenblikkelijk staan.

As soon as the treadmill belt starts moving,

Zodra de loopband start,

the animal shows coordinated movement of the leg,

zie je een gecoördineerde beenbeweging bij het dier,

but without the brain.

maar niet vanuit de hersens.

Here what I call "the spinal brain"

Dit is de cognitieve verwerking van sensorische informatie, door het 'ruggenmergbrein'.

cognitively processes sensory information

Dit is de cognitieve verwerking van sensorische informatie, door het 'ruggenmergbrein'.

arising from the moving leg

Het begint in het bewegende been en bepaalt hoe de spier geactiveerd wordt,

and makes decisions as to how to activate the muscle

Het begint in het bewegende been en bepaalt hoe de spier geactiveerd wordt,

in order to stand, to walk, to run,

om te kunnen staan, lopen, rennen

and even here, while sprinting,

en zelfs, zoals hier, vanuit sprint

instantly stand

ogenblikkelijk stil te staan

if the treadmill stops moving.

als de loopband wordt stilgezet.

This was amazing.

Dit was niet te geloven.

I was completely fascinated by this locomotion

Ik was totaal gefascineerd door de beweging die zonder de hersens tot stand kwam,

without the brain,

Ik was totaal gefascineerd door de beweging die zonder de hersens tot stand kwam,

but at the same time so frustrated.

maar tegelijkertijd zo gefrustreerd.

This locomotion was completely involuntary.

De beweging was geheel onvrijwillig.

The animal had virtually no control over the legs.

Het dier had vrijwel geen controle over zijn benen.

Clearly, the steering system was missing.

Het was duidelijk dat het besturingssysteem ontbrak.

And it then became obvious from me

Toen werd me duidelijk

that we had to move away

dat we af moesten

from the classical rehabilitation paradigm,

van het gebruikelijke revalidatiemethode:

stepping on a treadmill,

het lopen op een band.

and develop conditions that would encourage

We moesten condities ontwikkelen om

the brain to begin voluntary control over the leg.

de hersens een begin van vrije controle over het been te geven.

With this in mind, we developed a completely new

Met het oog hierop ontwikkelden we een totaal nieuw robotsysteem,

robotic system to support the rat

om de rat in alle gewenste richtingen te ondersteunen.

in any direction of space.

om de rat in alle gewenste richtingen te ondersteunen.

Imagine, this is really cool.

Stel je eens voor hoe cool dat is.

So imagine the little 200-gram rat

Beeld je in dat het ratje van 200 gram

attached at the extremity of this 200-kilo robot,

verbonden is met de 200 kilo zware robot,

but the rat does not feel the robot.

maar de robot niet voelt.

The robot is transparent,

De robot is transparant

just like you would hold a young child

en ondersteunt hem alsof hij een jong kind is,

during the first insecure steps.

dat zijn eerste onzekere stappen zet.

Let me summarize: The rat received

Samenvattend: bij de rat werd een dwarslaesie veroorzaakt.

a paralyzing lesion of the spinal cord.

Samenvattend: bij de rat werd een dwarslaesie veroorzaakt.

The electrochemical neuroprosthesis enabled

De elektrochemische neuroprothese bracht

a highly functional state of the spinal locomotor networks.

de netwerken van de wervelkolom in een hoog-functionele staat.

The robot provided the safe environment

De robot bood de veilige omgeving

to allow the rat to attempt anything

waarbinnen de rat alles kon proberen

to engage the paralyzed legs.

om de verlamde benen tot actie aan te zetten.

And for motivation, we used what I think

Als motivatie gebruikten we het naar mijn idee

is the most powerful pharmacology of Switzerland:

krachtigste Zwitserse medicijn:

fine Swiss chocolate.

fijne Zwitserse chocolade.

(Laughter)

(Gelach)

Actually, the first results were very, very,

Helaas waren de eerste resultaten zeer teleurstellend.

very disappointing.

Helaas waren de eerste resultaten zeer teleurstellend.

Here is my best physical therapist

Hier zie je mijn beste fysiotherapeut,

completely failing to encourage the rat

die er niet in slaagt om de rat zelfs maar

to take a single step,

een enkele stap te laten doen.

whereas the same rat, five minutes earlier,

Terwijl diezelfde rat, 5 minuten daarvoor,

walked beautifully on the treadmill.

prachtig liep op de loopband.

We were so frustrated.

We waren zo gefrustreerd.

But you know, one of the most essential qualities

Maar een van de meest essentiële kwaliteiten

of a scientist is perseverance.

van een wetenschapper is vasthoudendheid.

We insisted. We refined our paradigm,

We gaven niet op. We verfijnden onze methode

and after several months of training,

en na een training van enkele maanden

the otherwise paralyzed rat could stand,

kon de verlamde rat staan.

and whenever she decided,

Op de momenten dat zij het wilde,

initiated full weight-bearing locomotion

kon ze haar volle gewicht dragen

to sprint towards the rewards.

en een spurt maken naar de beloning.

This is the first recovery ever observed

Voor het eerst werd herstel van de vrije loopfunctie geobserveerd

of voluntary leg movement

Voor het eerst werd herstel van de vrije loopfunctie geobserveerd

after an experimental lesion of the spinal cord

na het experimenteel veroorzaken

leading to complete and permanent paralysis.

van een complete, permanente dwarslaesie.

In fact --

Bovendien...

(Applause)

(Applaus)

Thank you.

Bedankt.

In fact, not only could the rat initiate

Bovendien had de rat meer mogelijkheden

and sustain locomotion on the ground,

dan voortbeweging op de grond.

they could even adjust leg movement,

De beenbeweging kon worden aangepast,

for example, to resist gravity

bijvoorbeeld om de zwaartekracht te trotseren

in order to climb a staircase.

bij het beklimmen van een trap.

I can promise you this was

Geloof me, dit was voor mijn laboratorium een zeer emotioneel moment.

such an emotional moment in my laboratory.

Geloof me, dit was voor mijn laboratorium een zeer emotioneel moment.

It took us 10 years of hard work

We hebben er 10 jaar hard voor moeten werken

to reach this goal.

om dit doel te bereiken.

But the remaining question was, how?

Maar de vraag bleef, hoe?

I mean, how is it possible?

Ik bedoel, hoe was dit mogelijk?

And here, what we found

We ontdekten hier iets volkomen onverwachts.

was completely unexpected.

We ontdekten hier iets volkomen onverwachts.

This novel training paradigm

De hersens werden door deze nieuwe trainingsmethode

encouraged the brain to create new connections,

gestimuleerd om nieuwe verbindingen te maken -

some relay circuits

een aantal geschakelde circuits

that relay information from the brain

die informatie van het brein om het letsel heenleiden

past the injury and restore cortical control

en de corticale controle herstellen van dat deel van het

over the locomotor networks below the injury.

motorisch netwerk dat lager ligt dan het letsel.

And here, you can see one such example,

Hier zie je zo'n voorbeeld, waar de vezels

where we label the fibers coming from the brain in red.

die vanuit het brein komen rood zijn gekleurd.

This blue neuron is connected with the locomotor center,

Het blauwe neuron is verbonden met het motorisch centrum.

and what this constellation

Door deze constellatie van synaptische verbindingen

of synaptic contacts means

Door deze constellatie van synaptische verbindingen

is that the brain is reconnected with the locomotor center

maken de hersens weer contact met het motorisch centrum,

with only one relay neuron.

met behulp van slechts een schakelneuron.

But the remodeling was not restricted

De reconstructie beperkte zich echter niet tot het gebied van de dwarslaesie.

to the lesion area.

De reconstructie beperkte zich echter niet tot het gebied van de dwarslaesie.

It occurred throughout the central nervous system,

Het openbaarde zich in het hele centrale zenuwstelsel,

including in the brain stem,

inclusief de hersenstam.

where we observed up to 300-percent increase

Daar zagen we tot wel 300% toename

in the density of fibers coming from the brain.

van de vezeldichtheid vanuit de hersens.

We did not aim to repair the spinal cord,

Herstel van het ruggenmerg was niet ons doel.

yet we were able to promote

Toch kwam het tot een van de meest uitgebreide herzieningen van axonale projecties,

one of the more extensive remodeling

Toch kwam het tot een van de meest uitgebreide herzieningen van axonale projecties,

of axonal projections ever observed

die ooit in het door letsel aangetaste zenuwstelsel

in the central nervous system of adult mammal

van een volwassen zoogdier bestudeerd zijn.

after an injury.

van een volwassen zoogdier bestudeerd zijn.

And there is a very important message

De boodschap achter deze ontdekking is zeer belangrijk.

hidden behind this discovery.

De boodschap achter deze ontdekking is zeer belangrijk.

They are the result of a young team

Het is het resultaat van een jong team

of very talented people:

van uiterst getalenteerde mensen:

physical therapists, neurobiologists, neurosurgeons,

fysiotherapeuten, neurobiologen, neurochirurgen

engineers of all kinds,

en verschillende ingenieurs.

who have achieved together

Zij bereikten samen waar zij alleen

what would have been impossible by single individuals.

nooit toe in staat zouden zijn geweest.

This is truly a trans-disciplinary team.

Het is een echt transdisciplinair team.

They are working so close to each other

Ze werken zo nauw samen

that there is horizontal transfer of DNA.

dat er een horizontale overdracht van DNA ontstaat.

We are creating the next generation

We creëren de volgende generatie

of M.D.'s and engineers

artsen en ingenieurs,

capable of translating discoveries all the way

die uitvindingen kunnen vertalen

from bench to bedside.

van de theorie naar de praktijk.

And me?

En ik?

I am only the maestro who orchestrated this beautiful symphony.

Ik ben slechts de orkestrator van deze prachtige symfonie.

Now, I am sure you are all wondering, aren't you,

Nu willen jullie natuurlijk allemaal weten of

will this help injured people?

gehandicapte mensen hiermee geholpen zijn.

Me too, every day.

Ik vraag het me ook iedere dag weer af.

The truth is that we don't know enough yet.

Helaas weten we er nog niet genoeg over.

This is certainly not a cure for spinal cord injury,

Het is zeker geen geneesmiddel voor dwarslaesie,

but I begin to believe that this may lead

maar ik begin te geloven dat dit misschien

to an intervention to improve recovery

de weg is naar een behandeling die het herstel

and people's quality of life.

en de levenskwaliteit van mensen verbetert.

I would like you all

Ik wil jullie vragen om een moment

to take a moment and dream with me.

met me mee te dromen.

Imagine a person just suffered a spinal cord injury.

Stel je een patiënt voor die onlangs een dwarslaesie opliep.

After a few weeks of recovery,

Een paar weken later

we will implant a programmable pump

implanteren we een programmeerbare pomp,

to deliver a personalized pharmacological cocktail

die een persoonsgebonden farmacologische cocktail

directly to the spinal cord.

direct in het ruggenmerg spuit.

At the same time, we will implant an electrode array,

Tegelijkertijd implanteren we een reeks elektrodes.

a sort of second skin

Een soort tweede huid

covering the area of the spinal cord controlling leg movement,

voor het ruggenmerggebied dat de beenbeweging aanstuurt.

and this array is attached to an electrical pulse generator

Die elektrodes zijn verbonden met een elektrische pulsgever,

that delivers stimulations that are tailored

die stimulaties geeft die zijn aangepast aan

to the person's needs.

de persoonlijke behoeftes.

This defines a personalized electrochemical neuroprosthesis

Dit is de omschrijving van een gepersonaliseerde elektrochemische neuroprothese,

that will enable locomotion

die beweging tijdens de training met een

during training with a newly designed supporting system.

nieuw model ondersteuningssysteem mogelijk maakt.

And my hope is that after several months of training,

Ik hoop dat er na enkele maanden van training

there may be enough remodeling of residual connection

genoeg resterende verbindingen zijn omgevormd,

to allow locomotion without the robot,

om te kunnen bewegen zonder hulp van een robot.

maybe even without pharmacology or stimulation.

Misschien zelfs zonder hulp van farmacologie of stimulatie.

My hope here is to be able to create

Ik hoop dat we in staat zijn

the personalized condition

om de gepersonaliseerde condities te scheppen,

to boost the plasticity of the brain

waaronder de plasticiteit van de hersens

and the spinal cord.

en het ruggenmerg een stimulans krijgt.

And this is a radically new concept

Dit is een vergaand vernieuwend concept,

that may apply to other neurological disorders,

dat misschien ook bij andere neurologische stoornissen kan worden toegepast.

what I termed "personalized neuroprosthetics,"

Wat ik noem de 'gepersonaliseerde neuroprotheses',

where by sensing and stimulating neural interfaces,

die neurologische verbindingen stimuleren,

I implanted throughout the nervous system,

door implantaties in het hele zenuwstelsel,

in the brain, in the spinal cord,

de hersens, het ruggenmerg,

even in peripheral nerves,

zelfs in de perifere zenuwen,

based on patient-specific impairments.

gebaseerd op patiënt-specifieke beperkingen.

But not to replace the lost function, no --

Maar niet als vervanging van de verloren functie.

to help the brain help itself.

Nee, om de hersens zichzelf te laten helpen.

And I hope this enticed your imagination,

Ik hoop dat jullie verbeelding geprikkeld is,

because I can promise to you

want ik kan je verzekeren

this is not a matter of whether this revolution will occur,

dat de vraag niet is, òf deze revolutie er komt,

but when.

maar wanneer.

And remember, we are only as great

Bedenk wel, we zijn slechts zo groots

as our imagination, as big as our dream.

als onze verbeelding en zo groot als onze droom.

Thank you.

Bedankt.

(Applause)

(Applaus)