Ed Boyden: A light switch for neurons

Vertaald door: Rik Delaet Nagekeken door: Christel Foncke

Denk eens even na over je dag.

Think about your day for a second.

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

Je werd wakker en voelde de frisse lucht op je gezicht toen je de deur uitliep.

encountered new colleagues and had great discussions

Je ontmoette nieuwe collega's, voerde interessante discussies

en voelde ontzag als je iets nieuws had gevonden.

and felt in awe when you found something new.

Maar ik wed dat er iets is waar je vandaag niet aan dacht -

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

iets zo dicht bij huis

something so close to home,

dat je er waarschijnlijk helemaal niet vaak aan denkt.

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

Dat is dat alle sensaties, gevoelens,

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

beslissingen en acties verlopen

via die computer in je hoofd:

are mediated by the computer in your head

de hersenen.

called your brain.

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

Van buiten af bekeken hebben de hersenen hun uiterlijk niet mee -

een goede kilo vormeloos,

a couple pounds of pinkish-gray flesh,

roze-grijs vlees.

amorphous.

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

De laatste honderd jaar van neurowetenschappelijke ontwikkeling

hebben ons in staat gesteld om in te zoomen op de hersenen

and to see the intricacy of what lies within.

en de complexiteit ervan te zien.

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

We weten nu dat de hersenen

een ongelooflijk ingewikkeld netwerk zijn,

made out of hundreds of billions of cells called neurons.

opgebouwd uit honderden miljarden cellen, neuronen genaamd.

Now, unlike a human-designed computer,

In tegenstelling tot een door de mens ontworpen computer,

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

waar er een vrij klein aantal verschillende onderdelen zijn -

waarvan we weten hoe ze werken, omdat mensen hen ontwierpen -

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

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

bestaan de hersenen uit duizenden verschillende soorten cellen,

misschien wel tienduizenden.

maybe tens of thousands.

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

In allerlei verschillende vormen en opgebouwd uit verschillende moleculen.

Ze zijn gericht op en verbonden met de verschillende hersengebieden.

they project and connect to different brain regions.

Hun werking verandert ook op verschillende manieren bij verschillende ziektebeelden.

They also change in different ways in different disease states.

Laten we het concreet maken.

Let's make it concrete.

There's a class of cells,

Er bestaat een klasse van cellen,

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

vrij kleine cellen, inhiberende cellen, die hun buren stilleggen.

Het is één van de soort cellen die geatrofieerd lijken te zijn bij ziekten als schizofrenie.

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

in disorders like schizophrenia.

It's called the basket cell.

Ze heten korfcellen.

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

Een korfcel is een van de duizenden soorten cellen

die we bestuderen.

that we're learning about.

New ones are being discovered every day.

Elke dag worden er nieuwe ontdekt.

Een tweede voorbeeld:

As just a second example:

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

deze piramidale cellen, grote cellen,

kunnen een aanzienlijk deel van de hersenen omvatten.

of the brain.

Ze sturen prikkels uit.

They're excitatory.

Dit zijn enkele van de cellen

And these are some of the cells that might be overactive

die overactief kunnen zijn bij aandoeningen zoals epilepsie.

in disorders such as epilepsy.

Elk van deze cellen

Every one of these cells is an incredible electrical device.

is een ongelooflijk elektrisch apparaat.

They receive inputs from thousands of upstream partners

Zij ontvangen invoer van duizenden partners hogerop

en berekenen hun eigen elektrische uitvoerdata,

and compute their own electrical outputs,

which then, if they pass a certain threshold,

die vervolgens, als ze een bepaalde drempelwaarde overschrijden,

naar duizenden lagere partners zullen gaan.

will go to thousands of downstream partners.

Dit proces, dat slechts één milliseconde of zo in beslag neemt,

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

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

gebeurt duizenden keren per minuut

in elk van je 100 miljard cellen.

as long as you live and think and feel.

Zo lang je leeft,

denkt en voelt.

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

Hoe gaan we nu erachter komen wat dit netwerk doet?

Idealiter zouden we het netwerk kunnen nagaan,

Ideally, we could go through this circuit

verschillende soorten cellen in- en uitschakelen

and turn these different kinds of cell on and off

and see whether we could figure out

en zien of we kunnen achterhalen

which ones contribute to certain functions

welke een bijdrage leveren aan bepaalde functies

and which ones go wrong in certain pathologies.

en welke in de fout gaan bij bepaalde pathologieën.

Als we cellen zouden kunnen activeren, konden we zien welke effecten zij kunnen veroorzaken,

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

wat ze kunnen in gang zetten en in stand houden.

what they can initiate and sustain.

Als we ze konden uitschakelen,

If we could turn them off,

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

dan konden we proberen uit te vissen wat hun functie is.

Daarover ga ik het vandaag hebben.

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

De afgelopen 11 jaar zijn we bezig geweest

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

met het zoeken naar een manier om

through an attempt to find ways

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

netwerken, cellen, routes en delen van de hersenen

aan en uit te schakelen.

on and off,

Dit zowel om de wetenschap ervan te begrijpen

both to understand the science

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

als om enkele van de problemen, waarmee wij mensen

geconfronteerd worden, te lijf te gaan.

Now, before I tell you about the technology,

Voordat ik wat ga vertellen over de technologie,

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

het slechte nieuws is dat een belangrijk deel van ons in deze zaal,

als we lang genoeg leven,

if we live long enough,

will encounter, perhaps, a brain disorder.

misschien zal te maken krijgen met een hersenaandoening.

Al één miljard mensen

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

hebben een hersenaandoening gehad,

die hen ernstig beperkt.

that incapacitates them.

The numbers don't do it justice, though.

De cijfers alleen vertellen niet alles.

These disorders -- schizophrenia, Alzheimer's,

Deze aandoeningen - schizofrenie, Alzheimer,

depressie, verslaving -

depression, addiction --

they not only steal away our time to live,

verkorten niet alleen ons leven, ze veranderen wie we zijn.

they change who we are.

They take our identity and change our emotions

Ze beroven ons van onze identiteit en veranderen onze emoties -

and change who we are as people.

en veranderen wie we zijn als mensen.

Now, in the 20th century,

In de 20e eeuw was er enige hoop

door de ontwikkeling van geneesmiddelen

there was some hope that was generated

through the development of pharmaceuticals for treating brain disorders.

voor de behandeling van hersenaandoeningen.

Er werden veel medicijnen ontwikkeld

And while many drugs have been developed

that can alleviate symptoms of brain disorders,

om de symptomen van hersenaandoeningen te verlichten.

Maar vrijwel geen enkele van die ziektes kon genezen worden.

practically none of them can be considered to be cured.

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

Voor een deel doordat we de hersenen overspoelen met het medicijn.

we're bathing the brain in a chemical --

Dit uitgebreide netwerk,

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

bestaande uit duizenden verschillende soorten cellen,

wordt overspoeld met een stof.

is being bathed in a substance.

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

Dat is ook de reden waarom misschien het grootste deel

van de geneesmiddelen op de markt ernstige bijwerkingen vertonen.

can present some kind of serious side effect too.

Sommige mensen vonden wat verlichting door

Now some people have gotten some solace from electrical stimulators

elektrische stimulatoren, geïmplanteerd in hun hersenen.

that are implanted in the brain,

for Parkinson's disease or cochlear implants.

Voor de ziekte van Parkinson en

cochleaire implantaten

These have indeed been able to bring some kind of remedy

zijn ze inderdaad in staat geweest

een remedie te vormen

to people with certain kinds of disorders.

voor mensen met bepaalde ziekten.

But electricity also will go in all directions --

Maar elektriciteit gaat in alle richtingen,

the path of least resistance --

volgt de weg van de minste weerstand -

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

dat is waar die uitdrukking, voor een deel, vandaan komt.

and will also affect normal circuits,

Ze zal ook invloed hebben op de normale netwerken zowel als op de abnormale,

as well as the abnormal ones you want to fix.

die je wil herstellen. We komen terug bij het idee

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

van ultra-nauwkeurige controle.

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

Zouden we informatie precies kunnen sturen naar waar we willen dat ze gaat?

Toen ik 11 jaar geleden in de neurowetenschappen begon,

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

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

was ik opgeleid als elektrotechnisch ingenieur en natuurkundige.

the first thing I thought about was,

Het eerste wat ik dacht was:

if these neurons are electrical devices,

als deze neuronen elektrische apparaten zijn,

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

is de opdracht een manier vinden

om die elektrische veranderingen van op afstand te sturen.

at a distance.

Als we de elektriciteit in één bepaalde cel konden aanzetten,

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

maar niet zijn buren, dan hadden we het gereedschap

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

om deze verschillende cellen te activeren en uit te schakelen.

Zo zouden we erachter kunnen komen wat ze doen en wat hun rol is

to figure out what they do

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

in de netwerken waar ze zijn ingebed.

Ook zou het ons in staat stellen om ultra-nauwkeurige controle

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

uit te oefenen om foute netwerkberekeningen

to fix the circuit computations that have gone awry.

te herstellen.

Now, how are we going to do that?

Hoe gaan we dat doen?

Well, there are many molecules that exist in nature

Er bestaan tal van moleculen in de natuur

die in staat zijn om licht om te zetten in elektriciteit.

which are able to convert light into electricity.

Je kan ze beschouwen als kleine eiwitmoleculen

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

die werken als zonnecellen.

If we install these molecules in neurons somehow,

Als we deze moleculen in neuronen kunnen inbouwen,

then these neurons would become electrically drivable with light,

dan worden deze neuronen elektrisch aanstuurbaar met licht.

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

Maar niet hun buren, die niet over het molecuul beschikken.

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

Er is nog een andere magische truc nodig om dit allemaal

te laten gebeuren: hoe krijg je licht in de hersenen?

the ability to get light into the brain.

The brain doesn't feel pain.

Dat kan - hersenen voelen geen pijn - door

Taking advantage of all the effort

gebruik te maken van alle uitvindingen

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

gedaan voor het internet, communicatie enzovoort -

you can put optical fibers connected to lasers

zoals optische vezels verbonden met lasers.

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

Die kan je gebruiken om in diermodellen

in preklinische studies,

these neurons and see what they do.

deze neuronen te activeren om te zien wat ze doen.

Hoe doen we dit nu?

So how do we do this?

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

Rond 2004, in samenwerking met

Gerhard Nagel en Karl Deisseroth,

this vision came to fruition.

kwam deze visie tot bloei.

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

Er bestaan algen die naar het licht

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

moeten kunnen navigeren

voor een optimale fotosynthese.

And it senses light with a little eyespot,

Het licht wordt opgevangen met een klein oogvlekje,

which works not unlike how our eye works.

dat een beetje als ons eigen oog werkt.

In its membrane, or its boundary,

In het membraan aan de buitenkant

it contains little proteins

zitten kleine eiwitten

die licht in elektriciteit kunnen omzetten.

that indeed can convert light into electricity.

Deze moleculen worden kanaalrhodopsinen genoemd.

These molecules are called channelrhodopsins.

And each of these proteins acts just like that solar cell

Deze eiwitten werken een beetje als zonnecellen.

that I told you about.

Wanneer er blauw licht op valt, gaat er een klein gaatje open.

When blue light hits it,

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

Dat laat geladen deeltjes binnen in de oogvlek.

Daardoor kan deze oogvlek een elektrisch signaal afgeven

that allows this eyespot to have an electrical signal,

net zoals een zonnecel een batterij kan opladen.

just like a solar cell charging a battery.

So what we need to do is take these molecules

Op de een of andere manier moeten we deze moleculen

in neuronen weten te installeren.

and somehow install them in neurons.

And because it's a protein,

Omdat het een eiwit is,

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

zit het in het DNA van dit organisme gecodeerd.

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

Alles wat we moeten doen is dat DNA eruit halen,

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

het inbouwen in een gentherapie-vector, zoals een virus,

and put it into neurons.

en het overbrengen naar de neuronen.

And this was a very productive time in gene therapy,

Het was een zeer productieve tijd in de gentherapie,

and lots of viruses were coming along,

er waren veel virussen beschikbaar.

so this turned out to be fairly simple.

Het bleek heel eenvoudig om te doen.

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

We probeerden het vroeg in de ochtend op een zomerdag in 2004

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

en het werkte bij de eerste poging.

Je neemt dit DNA en je plaatst het in een neuron.

You take this DNA and put it into the neuron.

The neuron uses its natural protein-making machinery

Het neuron maakt gebruik van zijn natuurlijke eiwitproductiemachinerie

to fabricate these little light-sensitive proteins

om deze kleine lichtgevoelige eiwitten te fabriceren

en ze over de hele cel te installeren,

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

bijna als zonnepanelen op een dak.

And the next thing you know,

Voor je het weet,

you have a neuron which can be activated with light.

heb je een neuron dat kan worden geactiveerd met licht.

Dit is een zeer krachtig hulpmiddel.

So this is very powerful.

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

Je moet er wel achter zien te komen

hoe je deze genen aan de juiste cellen aflevert

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

en niet aan alle andere buren.

Dat kan. Je kan de virussen zo instellen

And you can do that;

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

dat ze slechts op enkele cellen inwerken en op andere niet.

Er zijn nog andere genetische trucs die je kan bovenhalen

And there's other genetic tricks you can play

om door licht geactiveerde cellen te krijgen.

in order to get light-activated cells.

Dit onderzoeksveld is nu bekend komen te staan als optogenetica.

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

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

Een voorbeeld hiervan is:

een van deze virussen gebruiken

you can take a complex network,

use one of these viruses to deliver the gene

om zijn gen alleen maar in één soort cel

van zo'n dicht netwerk af te leveren.

just to one kind of cell in this dense network.

And then when you shine light on the entire network,

Als je dan licht op het gehele netwerk laat vallen,

just that cell type will be activated.

zal enkel dat celtype worden geactiveerd.

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

Bijvoorbeeld zo'n korfcel waar ik het daarstraks over had -

die atrofieert bij schizofrenie -

the one that's atrophied in schizophrenia

en die een remmende functie heeft.

and the one that is inhibitory.

Als we dat gen kunnen leveren aan deze cellen -

If we can deliver that gene to these cells --

en hun functie niet zal gewijzigd worden door de expressie van het gen, natuurlijk -

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

en vervolgens blauw licht over het hele hersenennetwerk laten schijnen,

then flash blue light over the entire brain network,

just these cells are going to be driven.

dan zullen alleen deze cellen worden geactiveerd.

Als het licht wordt uitgeschakeld, gaan deze cellen terug naar de rusttoestand.

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

Daar lijken ze niet afkerig van te zijn.

there don't seem to be adverse events.

Not only can you study what these cells do,

Je kan dit niet alleen gebruiken om te onderzoeken wat deze cellen doen of

what their power is in computing in the brain,

wat hun rekenvermogen is in de hersenen.

Je zou dit ook kunnen gebruiken om erachter te komen

you can also use this to try to figure out

of we misschien de activiteit van deze cellen kunnen opdrijven,

if we could jazz up the activity of these cells

als ze daadwerkelijk geatrofieerd zijn.

if indeed, they're atrophied.

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

Ik ga jullie een paar voorbeelden geven

over hoe we dit toepassen

both at the scientific clinical and preclinical levels.

zowel op de wetenschappelijke, klinische als preklinische niveaus.

One of the questions that we've confronted is:

Een van de vragen waarmee we te maken hebben is:

What signals in the brain mediate the sensation of reward?

wat zijn de signalen in de hersenen die het gevoel van beloning oproepen?

Because if you could find those,

Want als je die zou kunnen vinden, zouden dat een aantal

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

van de signalen zijn die het leren konden aansturen.

De hersenen zullen meer gaan doen van wat die beloning veroorzaakte.

the brain will do more of what got that reward.

Ook zijn dit de signalen die fout gaan bij stoornissen zoals verslaving.

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

Als we konden achterhalen welke cellen dat zijn,

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

kunnen we misschien nieuwe targets vinden waarvoor

geneesmiddelen kunnen worden ontworpen of tegen afgeschermd worden.

for which drugs can be designed or screened against

Misschien vinden we zo plaatsen waar elektroden kunnen worden ingebracht

or maybe places where electrodes could be put in

bij mensen met een zeer ernstige invaliditeit.

for people who have severe disability.

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

Daarvoor vonden we een zeer eenvoudig paradigma

in samenwerking met de Fiorella groep.

in collaboration with the Fiorillo group,

Als het dier naar de ene kant van dit kleine doosje gaat,

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

krijgt het een lichtpuls om verschillende cellen

it gets a pulse of light.

in de hersenen gevoelig te maken voor licht.

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

Als deze cellen een beloning kunnen bemiddelen,

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

dan zal het dier daar meer en meer naartoe gaan.

Dat is wat er gebeurt.

And that's what happens.

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

Dit dier gaat naar de rechterkant en steekt daar zijn neus in.

Telkens krijgt hij een flits van blauw licht.

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

Hij zal dat honderden keren herhalen.

He'll do that hundreds of times.

Dit zijn de dopamineneuronen,

These are the dopamine neurons,

jullie misschien bekend als de pleziercentra van de hersenen.

in some of the pleasure centers in the brain.

We hebben aangetoond dat een korte activering ervan

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

genoeg is om het leren te bevorderen.

We kunnen het idee veralgemenen.

Now we can generalize the idea.

In plaats van op één punt in de hersenen te werken,

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

kunnen we apparaten bedenken die het ganse brein omvatten,

die licht kunnen leveren in driedimensionale patronen -

that can deliver light into three-dimensional patterns --

rijen optische vezels,

arrays of optical fibers,

elk gekoppeld aan zijn eigen onafhankelijke miniatuurlichtbron.

each coupled to its own independent miniature light source.

We kunnen proberen om dingen in vivo te doen

Then we can try to do things in vivo

die tot op vandaag alleen in een schaaltje gedaan werden -

that have only been done to date in a dish,

like high-throughput screening throughout the entire brain

zoals 'high-throughput screening' in het hele brein voor de signalen

die aanleiding kunnen geven tot bepaalde gebeurtenissen.

for the signals that can cause certain things to happen

Of ze zouden goede klinische targets kunnen worden

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

voor de behandeling van hersenaandoeningen.

Een ander voorbeeld gaat over hoe we targets kunnen vinden

One story I want to tell you about is:

voor de behandeling van posttraumatische stressstoornis -

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

een vorm van ongecontroleerde angst en vrees.

a form of uncontrolled anxiety and fear?

We gingen uit van

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

een zeer klassiek model van angst.

This goes back to the Pavlovian days.

Dit gaat terug tot de tijd van Pavlov.

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

Het heet Pavlov vreesconditionering -

hier eindigt een toon met een korte schok.

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

De schok is niet echt pijnlijk maar wel wat vervelend.

Geleidelijk aan - in dit geval, een muis,

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

een goed diermodel, vaak gebruikt in dergelijke experimenten -

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

leert het dier de toon te vrezen.

the animal learns to fear the tone.

Het dier zal reageren door te verstijven,

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

zoals een hert voor de koplampen van een auto.

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

Welke targets vinden we nu in de hersenen

that allow us to overcome this fear?

om deze angst te overwinnen?

We spelen de toon opnieuw af

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

nadat hij in verband is gebracht met angst.

We activeren verschillende targets in de hersenen

But we activate different targets in the brain,

met behulp van die glasvezelrijen waarover ik het in de vorige dia had.

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

We proberen zo uit te zoeken welke targets

in order to try and figure out

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

de hersenen die herinnering van angst kunnen doen overwinnen.

Deze korte video toont jullie een

This brief video shows you one of these targets

van deze targets waar we nu aan werken. Het is een gebied in

that we're working on now.

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

de prefrontale cortex, een gebied waar we cognitie

kunnen gebruiken om aversieve emotionele toestanden te overwinnen.

to try to overcome aversive emotional states.

Het dier hoort een toon - en dan komt er een lichtflits.

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

Er is geen geluid bij deze video maar je ziet het dier verstijven.

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

Deze toon betekende slecht nieuws.

the tone used to mean bad news.

In de linkerbenedenhoek is er een klokje te zien,

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

zodat je kunt zien dat het dier daar ongeveer twee minuten in blijft.

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

Deze volgende clip

This next clip is just eight minutes later.

is slechts acht minuten later.

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

Dezelfde toon is te horen en het licht gaat weer flitsen.

Oke, daar komt het. Nu.

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

Nu kan je zien dat na een experiment van slechts 10 minuten,

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

we erin geslaagd zijn het brein de uiting

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

van deze angstherinnering te laten overwinnen,

to overcome the expression of this fear memory.

door dit gebied te fotoactiveren.

De afgelopen jaren lag onze focus op de boom des levens,

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

omdat we zochten naar manieren om netwerken in de hersenen uit te schakelen.

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

Als we dat konden doen, zou dit een zeer krachtige methode zijn.

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

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

Als je cellen een paar milliseconden of seconden kunt uitschakelen,

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

kun je uitzoeken welke noodzakelijke rol ze spelen

in de netwerken waarin ze zijn opgenomen.

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

We hebben nu organismen uit alle delen van de boom des levens onderzocht -

Ieder koninkrijk van het leven, behalve voor dieren, toont iets anders.

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

We vonden allerlei moleculen zoals halorhodopsinen of archaerhodopsinen

We found molecules called halorhodopsins or archaerhodopsins,

die reageren op groen en geel licht.

that respond to green and yellow light.

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

Ze doen net het tegenovergestelde dan het molecuul waar ik eerder over vertelde

met de blauw-lichtactivator kanaalrhodopsine.

with the blue light activator, channelrhodopsin.

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

Ik geef een voorbeeld van waar we denken dat dit naartoe gaat.

Consider, for example, a condition like epilepsy,

Denk bijvoorbeeld aan een aandoening zoals epilepsie,

where the brain is overactive.

waar de hersenen overactief zijn.

Now, if drugs fail in epileptic treatment,

Als medicijnen niet werken bij epileptische behandeling, bestaat

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

een van de strategieën erin een deel van de hersenen te verwijderen.

Dat is natuurlijk onomkeerbaar en er kunnen bijwerkingen optreden.

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

Wat als we de hersenen alleen maar voor een korte tijd konden uitschakelen

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

totdat de aanval zou uitsterven?

until the seizure dies away,

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

Dan konden de hersenen misschien in hun oorspronkelijke staat worden hersteld -

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

net zoals een dynamisch systeem dat teruggebracht wordt tot een stabiele toestand.

Deze animatie probeert dit concept uit te leggen.

This animation tries to explain this concept

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

We hebben deze cellen gevoelig gemaakt om uitgeschakeld te worden met licht.

We bestralen met licht

and we beam light in,

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

en hopen, zolang de aanval duurt,

de cellen uit te kunnen schakelen.

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

We hebben hierover nog geen gegevens

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

maar we zijn erg enthousiast.

but we're very excited about this.

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

Ik wil afsluiten met nog een voorbeeld,

waarvan wij denken dat het nog een andere mogelijkheid is.

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

Misschien kunnen deze moleculen, als je ze ultra-nauwkeurig kunt controleren,

gebruikt worden in de hersenen zelf

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

om een nieuw soort prothese, een optische prothese, te maken.

an optical prosthetic.

Ik heb je al verteld dat elektrische stimulatoren niet ongewoon zijn.

I already told you that electrical stimulators are not uncommon.

Bij 75.000 mensen werd een Parkinson-deep-brainstimulator geïmplanteerd.

Seventy-five thousand people

have Parkinson's deep-brain stimulators implanted,

Misschien 100.000 mensen hebben al cochleaire implantaten

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

die hen in staat stellen om te horen.

Nog een probleem is dat je deze genen in de cellen moet krijgen.

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

Er is nieuwe hoop op gentherapie

A new hope in gene therapy has been developed,

because viruses like the adeno-associated virus --

omdat virussen zoals het adeno-geassocieerd virus,

waarvan de meesten van ons waarschijnlijk drager zijn,

which probably most of us around this room have;

en dat geen symptomen geeft,

it doesn't have any symptoms --

bij honderden patiënten is aangewend

have been used in hundreds of patients

to deliver genes into the brain or the body.

om genen in de hersenen of het lichaam af te leveren.

And so far, there have not been serious adverse events

Tot nu toe zijn er geen ernstige bijwerkingen

geassocieerd met dit virus.

associated with the virus.

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

Er is nog een laatste olifant in de kamer, de eiwitten zelf,

which come from algae, bacteria and funguses

die afkomstig zijn van algen, bacteriën, schimmels

and all over the tree of life.

en uit de rest van de boom des levens.

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

Wij hebben geen schimmels of algen in onze hersenen.

Wat gaan onze hersenen doen als we die erin brengen?

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

Gaan de cellen het verdragen? Zal het immuunsysteem reageren?

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

We zijn nog maar in het beginstadium, dit is nog niet op mensen uitgetest.

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

We werken aan een groot aantal studies

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

om dit uit te proberen en te onderzoeken.

Tot nu toe hebben we nog geen duidelijke reacties van enige ernst

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

op deze moleculen gezien

to these molecules

or to the illumination of the brain with light.

of van de bestraling van de hersenen met licht.

Het is nog te vroeg om besluiten te trekken, maar we zijn er erg enthousiast over.

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

Ik wilde afsluiten met een verhaal

I wanted to close with one story,

which we think could potentially be a clinical application.

waarvan wij denken dat het zou kunnen

leiden tot een klinische toepassing.

Now, there are many forms of blindness

Er zijn vele vormen van blindheid

waarbij de fotoreceptoren,

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

onze lichtsensoren aan de achterkant van ons oog, zijn verdwenen.

are gone.

And the retina is a complex structure.

Het netvlies is uiteraard een complexe structuur.

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

Laten we nu hier op inzoomen, zodat we het meer in detail kunnen zien.

De fotoreceptorcellen zitten bovenaan.

The photoreceptor cells are shown here at the top.

The signals that are detected by the photoreceptors are transformed

Vervolgens worden de signalen gedetecteerd door de fotoreceptoren

en getransformeerd via verschillende berekeningen.

via various computations

Uiteindelijk gaat de laag cellen aan de onderkant, de ganglioncellen,

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

de informatie naar de hersenen doorgeven.

relay the information to the brain,

Daar komt de waarneming tot stand.

where we see that as perception.

In veel vormen van blindheid, zoals retinitis pigmentosa,

In many forms of blindness, like retinitis pigmentosa

or macular degeneration,

of maculadegeneratie,

the photoreceptor cells have atrophied or been destroyed.

zijn de fotoreceptorcellen geatrofieerd of vernietigd.

Now, how could you repair this?

Hoe kan je dit repareren?

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

Het is zelfs niet eens duidelijk of een geneesmiddel dit zou kunnen herstellen,

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

omdat er niets is waar het medicijn zich aan kan binden.

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

Aan de andere kant kan het licht nog steeds in het oog binnendringen.

Het oog is nog steeds transparant en licht kan erin.

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

Wat zou er gebeuren als we deze kanaalrhodopsinen en andere moleculen

So what if we could take these channelrhodopsins and other molecules

zouden installeren op een aantal van deze andere reservecellen

and install them on some of these other spared cells

en er kleine camera's van maken?

and convert them into little cameras?

Omdat er zich zo veel van deze cellen in het oog bevinden,

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

kunnen het potentieel zeer hoge resolutie camera's worden.

potentially, they could be very high-resolution cameras.

Daar zijn we ook mee bezig.

This is some work that we're doing,

Het onderzoek wordt geleid door een van onze medewerkers,

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

Alan Horsager van USC.

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

Een beginnende onderneming, Eos Neuroscience, gefinancierd door de NIH,

gaat het commercialiseren.

which is funded by the NIH.

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

Hier een muis die een doolhof probeert op te lossen.

Het is een zesarmig doolhof. Er staat een beetje water in het doolhof om de muis

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

te motiveren om te bewegen. Anders blijft ze gewoon zitten.

Het doel, uiteraard, van dit doolhof

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

is om uit het water op een klein platform te geraken

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

dat zich onder de verlichte poort daarboven bevindt.

Muizen zijn slim. Deze muis lost uiteindelijk het doolhof op,

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

but he does a brute-force search.

maar hij doet dat door gissen en missen.

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

Hij probeert al zwemmend alle mogelijkheden uit tot hij uiteindelijk op het platform geraakt.

He's not using vision to do it.

Hij maakt daarvoor geen gebruik van zijn ogen.

These different mice are different mutations

Deze muizen zijn verschillende mutaties

die verschillende soorten blindheid, die ook bij mensen voor komen, simuleren.

that recapitulate different kinds of blindness that affect humans.

We moeten deze verschillende modellen zorgvuldig onderzoeken

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

om te komen tot een algemene aanpak.

so we come up with a generalized approach.

Hoe gaan we dit oplossen?

So how can we solve this?

We gaan precies doen wat we beschreven in de vorige dia.

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

We gaan deze blauwlichtfotosensoren

We'll take these blue light photo sensors

installeren op een laag cellen

and install them onto a layer of cells

in het midden van het netvlies aan de achterkant van het oog

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

and convert them into a camera --

en er een camera van maken.

just like installing solar cells all over those neurons

Net als het installeren van zonnecellen op de neuronen

om ze gevoelig te maken voor licht.

to make them light-sensitive.

Light is converted to electricity on them.

Licht wordt dan omgezet in elektriciteit.

So this mouse was blind a couple weeks before this experiment

Deze muis was een paar weken voor dit experiment blind

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

en kreeg een dosis van dit lichtgevoelige molecuul via een virus toegediend.

Je kunt zien dat het dier nu wel degelijk de muren kan vermijden,

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

naar dit kleine platform gaan

and go to this little platform

en opnieuw cognitief gebruik maken van haar ogen.

and make cognitive use of its eyes again.

Om nog maar eens te wijzen op het buitengewone resultaat:

And to point out the power of this:

deze dieren zijn in staat om net zo snel naar dat platform

these animals can get to that platform

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

te gaan als dieren die dat hun hele leven hebben gedaan.

Deze preklinische studie, denk ik,

So this preclinical study, I think, bodes hope

houdt hoop in

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

voor de toekomst.

Tot slot wil ik erop wijzen dat we ook nieuwe businessmodellen

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

uitproberen voor dit nieuwe gebied van neurotechnologie.

Wij ontwikkelen deze tools, maar we delen ze vrijelijk

We're developing tools and sharing them freely

met honderden groepen over de hele wereld, zodat mensen eruit

with hundreds of groups all over the world

kunnen leren en proberen verschillende stoornissen te behandelen.

for them to study and try to treat different disorders.

Door uit te zoeken hoe we deze hersennetwerken

Our hope is that by figuring out brain circuits

kunnen herstellen en bewerken op abstract niveau,

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

hopen we ertoe te komen enkele van deze hardnekkige aandoeningen

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

waar ik het eerder over had en die nu ongeneeslijk zijn,

practically none of which are cured,

in de 21ste eeuw uit de wereld te helpen.

and in the 21st century, make them history.

Dank u.

Thank you.

(Applause)

(Applaus)

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

Juan Enriquez: Een deel van dit spul is nogal zwaar op de hand.

(Laughter)

(Gelach)

Maar de implicaties

But the implications of being able to control seizures or epilepsy

om epilepsieaanvallen onder controle te krijgen

with light instead of drugs

met licht in plaats van met geneesmiddelen,

and being able to target those specifically

en de mogelijkheid om zich specifiek hierop te richten

is a first step.

is een eerste stap.

The second thing that I think I heard you say

Het tweede ding dat ik denk dat ik je hoorde zeggen

is you can now control the brain in two colors,

is dat je de hersenen in twee kleuren kan controleren.

Net als een aan/uit-schakelaar.

like an on-off switch.

Ed Boyden: Dat klopt.

Ed Boyden: That's right.

JE: Dat maakt dat elke impuls die door de hersenen gaat een binaire code is.

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

EB: Juist, ja.

EB: Right.

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

Dus met blauw licht kunnen we informatie invoeren in de vorm van een één.

En door uit te schakelen krijgen we min of meer een nul.

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

Dus hopen we om uiteindelijk voor de hersenen co-processoren te bouwen

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

die werken met de hersenen,

waardoor we functionaliteit kunnen vergroten bij mensen met een handicap.

so we can augment functions in people with disabilities.

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

JE: in theorie betekent dit dat

als een muis voelt, ruikt,

hoort, raakt,

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

je dat kan modelleren als een reeks enen en nullen.

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

EB: Natuurlijk, ja. We hopen om dit te gebruiken om uit te testen

welke neurale codes bepaalde gedragingen kunnen aansturen,

what neural codes can drive certain behaviors

alsook bepaalde gedachten en bepaalde gevoelens,

and certain thoughts and certain feelings

en dat gebruiken om meer over de hersenen te weten te komen.

and use that to understand more about the brain.

JE: Does that mean that someday you could download memories

JE: Betekent dit dat je ooit je herinneringen zou kunnen downloaden

and maybe upload them?

en misschien uploaden?

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

EB: Dat is iets waar we al mee bezig zijn.

We proberen nu

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

de hersenen te bedekken met opname-elementen.

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

Zo kunnen we gegevens registreren en vervolgens de informatie terug invoeren -

sort of computing what the brain needs

een beetje uitrekenen wat de hersenen nodig hebben

in order to augment its information processing.

om de verwerking van informatie te vergroten.

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

JE: Nou, dat zou een paar dingen kunnen veranderen. Dank je. (EB: Dank je wel.)

EB: Thank you.

(Applaus)

(Applause)