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

Tłumaczenie: Paweł Darulewski Korekta: Rysia Wand

Hello, everybody.

Witam wszystkich.

I brought with me today a baby diaper.

Przyniosłem ze sobą dziecięcą pieluchę.

You'll see why in a second.

Za chwilę zobaczycie dlaczego.

Baby diapers have interesting properties.

Pieluszki mają ciekawe właściwości.

They can swell enormously when you add water to them,

Mogą niesamowicie pęcznieć, kiedy poleje się je wodą,

an experiment done by millions of kids every day.

to eksperyment robiony przez miliony dzieciaków każdego dnia.

(Laughter)

(Śmiech)

But the reason why

Powodem tego jest

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

mądry sposób ich zaprojektowania.

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

Wyprodukowane są z pęczniejącego materiału.

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

To rodzaj tworzywa, który po dodaniu wody

it will swell up enormously,

niesamowicie pęcznieje,

maybe a thousand times in volume.

zwiększając objętość może tysiąc razy.

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

Przydatny, przemysłowy rodzaj polimeru.

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

Z moją grupą w MIT staramy się

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

znaleźć sposób, by zrobić coś podobnego z mózgiem.

Can we make it bigger,

Czy możemy go zwiększyć,

big enough that you can peer inside

na tyle, by móc go oglądać,

and see all the tiny building blocks, the biomolecules,

widzieć wszystkie małe części, biocząsteczki,

how they're organized in three dimensions,

jak są ułożone w trzech wymiarach,

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

czyli rzeczywistą strukturę mózgu?

If we could get that,

Gdyby się to udało,

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

może lepiej zrozumielibyśmy, jak mózg jest zorganizowany,

to yield thoughts and emotions

by rodził myśli i emocje,

and actions and sensations.

działania i doznania.

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

Można by sprecyzować dokładne zmiany w mózgu,

that result in diseases,

które powodują choroby,

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

takie jak Alzheimer, epilepsja, Parkinson,

for which there are few treatments, much less cures,

na które jest mało kuracji, w dodatku nieskutecznych.

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

Bardzo często nie znamy ich przyczyn i pochodzenia,

and what's really causing them to occur.

co naprawdę je wywołuje.

Now, our group at MIT

Nasza grupa w MIT

is trying to take a different point of view

stara się spojrzeć inaczej

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

niż robiła to neurobiologia przez ostatnie sto lat.

We're designers. We're inventors.

Jesteśmy twórcami. Pionierami.

We're trying to figure out how to build technologies

Próbujemy wymyślić technologie,

that let us look at and repair the brain.

które pozwolą oglądać i naprawiać mózg.

And the reason is,

Powodem jest

the brain is incredibly, incredibly complicated.

niewiarygodna zawiłość mózgu.

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

Pierwszy wiek neurobiologii nauczył nas,

is that the brain is a very complicated network,

że mózg jest skomplikowaną siecią,

made out of very specialized cells called neurons

zbudowaną z wyspecjalizowanych komórek - neuronów,

with very complex geometries,

o bardzo złożonym kształcie,

and electrical currents will flow through these complexly shaped neurons.

przez które płynie napięcie elektryczne.

Furthermore, neurons are connected in networks.

Co więcej, neurony łączą się w sieci

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

przez małe skrzyżowania zwane synapsami, które wymieniają substancje,

and allow the neurons to talk to each other.

pozwalając neuronom porozumiewać się.

The density of the brain is incredible.

Ich gęstość w mózgu jest niesamowita.

In a cubic millimeter of your brain,

W milimetrze sześciennym mózgu

there are about 100,000 of these neurons

znajduje się około 100 000 neuronów

and maybe a billion of those connections.

oraz z miliard połączeń.

But it's worse.

To jednak nie koniec.

So, if you could zoom in to a neuron,

Gdyby dało się powiększyć neuron,

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

to oczywiście tylko artystyczna interpretacja,

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

zobaczylibyśmy tysiące rodzajów biocząsteczek,

little nanoscale machines organized in complex, 3D patterns,

malutkie nanomaszyny, ułożone w skomplikowane, trójwymiarowe wzory.

and together they mediate those electrical pulses,

Wspólnie pośredniczą w elektrycznych impulsach,

those chemical exchanges that allow neurons to work together

chemicznych wymianach, które pozwalają neuronom wspólnie działać,

to generate things like thoughts and feelings and so forth.

generując na przykład myśli i emocje.

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

Nie wiemy jak ułożone są neurony w mózgu,

to form networks,

by tworzyły sieci,

and we don't know how the biomolecules are organized

nie wiemy jak biocząsteczki są zorganizowane

within neurons

w neuronach,

to form these complex, organized machines.

by tworzyły złożone, ułożone maszyny.

If we really want to understand this,

Żeby naprawdę to zrozumieć,

we're going to need new technologies.

potrzeba nowych technologii.

But if we could get such maps,

Mając takie mapy,

if we could look at the organization of molecules and neurons

mogąc spojrzeć na rozkład cząsteczek i neuronów

and neurons and networks,

oraz sieci,

maybe we could really understand how the brain conducts information

może dałoby się zrozumieć, jak mózg przekazuje informacje

from sensory regions,

ze stref czuciowych,

mixes it with emotion and feeling,

mieszając je z emocjami i uczuciami,

and generates our decisions and actions.

tworząc decyzje i zachowania.

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

Może dałoby się sprecyzować dokładny zespół molekularnych zmian

in a brain disorder.

w schorzeniach mózgu.

And once we know how those molecules have changed,

Wiedząc, jak molekuły się zmieniły,

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

czy zrobiło się ich więcej lub zmieniły wzór,

we could use those as targets for new drugs,

można by użyć ich jako celów dla nowych leków,

for new ways of delivering energy into the brain

dla nowoczesnego dostarczania energii do mózgu,

in order to repair the brain computations that are afflicted

by naprawić zaburzone funkcje

in patients who suffer from brain disorders.

u pacjentów, którzy cierpią na choroby mózgu.

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

Ostatnie sto lat przyniosło wiele różnych technik,

które miały się z tym uporać.

to try to confront this.

I think we've all seen brain scans

Chyba każdy widział obrazy mózgu,

taken using MRI machines.

zrobione metodą rezonansu magnetycznego.

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

To wspaniałe maszyny, bo są nieinwazyjne,

they can be used on living human subjects.

mogą ich używać na żywych ludziach.

But also, they're spatially crude.

Są jednak przestrzennie toporne.

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

Każda z tych plam, czyli woksli,

can contain millions and millions of neurons.

może zawierać miliony neuronów.

So it's not at the level of resolution

To nie jest rozdzielczość,

where it can pinpoint the molecular changes that occur

która pozwoliłaby ustalić położenie molekularnych zmian

or the changes in the wiring of these networks

lub zmian w instalacji tych sieci,

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

dzięki którym jesteśmy świadomymi i silnymi istotami.

At the other extreme, you have microscopes.

Z drugiej strony są mikroskopy.

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

Korzystają ze światła, by patrzeć na małe rzeczy.

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

Od wieków były używane, by oglądać na przykład bakterie.

For neuroscience,

W neurobiologii

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

to dzięki mikroskopom odkryto pierwsze neurony

about 130 years ago.

około 130 lat temu.

But light is fundamentally limited.

Światło jest zasadniczo ograniczone.

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

Nie można zobaczyć poszczególnych cząstek zwykłym, starym mikroskopem.

You can't look at these tiny connections.

Nie widać tych malutkich połączeń.

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

Żeby ulepszyć oglądalność mózgu,

to get down to the ground truth structure,

dobrać się do rzeczywistej struktury,

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

potrzeba jeszcze lepszej technologii.

My group, a couple years ago, started thinking:

Moja grupa kilka lat temu zaczęła myśleć,

Why don't we do the opposite?

że może trzeba postąpić na odwrót.

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

Skoro tak trudno powiększyć obrazu mózgu,

why can't we make the brain bigger?

może zwiększyć sam mózg?

It initially started

Sprawę zapoczątkowali

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

dwaj absolwenci z mojej grupy: Fei Chen oraz Paul Tillberg.

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

Teraz wielu innych w grupie pomaga w tym procesie.

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

Postanowiliśmy znaleźć sposób na wzięcie polimerów,

like the stuff in the baby diaper,

takich jak w pieluszkach,

and install it physically within the brain.

i umieszczenie ich w mózgu.

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

Jeśli się uda to po dodaniu wody,

you can potentially blow the brain up

mózg teoretycznie by się nadmuchał,

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

na tyle, by móc odróżnić małe biocząsteczki od siebie.

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

Zobaczylibyście połączenia, otrzymalibyście mapy mózgu.

This could potentially be quite dramatic.

To potencjalnie duża rzecz.

We brought a little demo here.

Mamy tutaj małą demonstrację.

We got some purified baby diaper material.

Jest to oczyszczone tworzywo z pieluchy.

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

Łatwiej je kupić przez Internet

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

niż wydobyć odrobinę tych ziaren, które znajdują się w pieluchach.

I'm going to put just one teaspoon here

Nasypię tutaj tylko jedną łyżeczkę

of this purified polymer.

oczyszczonego polimeru.

And here we have some water.

Tu znajduje się woda.

What we're going to do

Zamierzamy sprawdzić,

is see if this teaspoon of the baby diaper material

czy łyżeczka tworzywa z pieluchy

can increase in size.

powiększy się.

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

Widać, że objętość wzrasta tysiąckrotnie

before your very eyes.

na waszych oczach.

I could pour much more of this in there,

Mógłbym nalać dużo więcej wody,

but I think you've got the idea

ale chyba zrozumieliście zamysł,

that this is a very, very interesting molecule,

że jest to bardzo interesująca substancja.

and if can use it in the right way,

Jeśli użyje się jej prawidłowo,

we might be able to really zoom in on the brain

można naprawdę powiększyć mózg,

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

w sposób niemożliwy dla poprzednich technologii.

OK. So a little bit of chemistry now.

Dobrze. Teraz trochę chemii.

What's going on in the baby diaper polymer?

Co dzieje się z polimerem?

If you could zoom in,

Po przybliżeniu obraz wyglądałby

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

mniej więcej jak na ekranie.

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

Polimery to łańcuchy atomów ustawione w długie, wąskie rzędy.

The chains are very tiny,

Łańcuchy są bardzo małe,

about the width of a biomolecule,

o szerokości biocząsteczki,

and these polymers are really dense.

a polimery są bardzo gęste.

They're separated by distances

Dzieli je odległość

that are around the size of a biomolecule.

rozmiaru biocząsteczki.

This is very good

To jest przydatne,

because we could potentially move everything apart in the brain.

bo teoretycznie można wszystko w mózgu porozdzielać.

If we add water, what will happen is,

Po dodaniu wody

this swellable material is going to absorb the water,

pęczniejące tworzywo zaabsorbuje ją,

the polymer chains will move apart from each other,

łańcuchy polimeru odsuną się od siebie,

and the entire material is going to become bigger.

a cały materiał zacznie rosnąć.

And because these chains are so tiny

Ponieważ łańcuchy są tak małe,

and spaced by biomolecular distances,

oddzielone o biomolekularne odległości,

we could potentially blow up the brain

można by nadmuchać mózg,

and make it big enough to see.

i powiększyć do widzialnych rozmiarów.

Here's the mystery, then:

A teraz zagadka.

How do we actually make these polymer chains inside the brain

Jak umieścić w mózgu łańcuchy polimerów,

so we can move all the biomolecules apart?

żeby rozsunąć biocząsteczki?

If we could do that,

Jeśli to by się udało,

maybe we could get ground truth maps of the brain.

można by otrzymać rzeczywistą mapę mózgu.

We could look at the wiring.

Byłoby widać okablowanie.

We can peer inside and see the molecules within.

Można by zajrzeć do środka, oglądać cząsteczki od wewnątrz.

To explain this, we made some animations

Żeby to wyjaśnić, zrobiliśmy animację,

where we actually look at, in these artist renderings,

żeby pokazać możliwy obraz bioczątsteczek

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

oraz metody ich separacji.

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

Po pierwsze wszystkie biocząsteczki

is attach every biomolecule, shown in brown here,

pokazane tu na brązowo,

to a little anchor, a little handle.

muszą dostać kotwiczkę, mały uchwyt.

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

Żeby odciągnąć molekuły od siebie

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

potrzebujemy uchwytów,

that allows those polymers to bind to them

które połączą polimery

and to exert their force.

i pomogą im wywierać siłę.

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

Gdyby posypać mózg polimerem z pieluchy,

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

zostanie oczywiście na powierzchni.

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

Trzeba znaleźć sposób, żeby wprowadzić polimery do środka.

And this is where we're really lucky.

Akurat mamy szczęście.

It turns out, you can get the building blocks,

Okazuje się, że można wziąć klocki,

monomers, as they're called,

czyli monomery,

and if you let them go into the brain

które po wprowadzeniu do mózgu

and then trigger the chemical reactions,

zainicjują reakcje chemiczne,

you can get them to form those long chains,

tworząc długie łańcuchy polimerów

right there inside the brain tissue.

w środku tkanek mózgowych.

They're going to wind their way around biomolecules

Będą owijać się wokół biocząsteczek

and between biomolecules,

i między nimi,

forming those complex webs

tworząc skomplikowane sieci,

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

które w końcu pozwolą

odciągnąć cząsteczki od siebie.

from each other.

And every time one of those little handles is around,

W pobliżu uchwytów

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

polimer przyczepi się do nich, czego właśnie potrzeba,

in order to pull the molecules apart from each other.

żeby odseparować cząsteczki.

All right, the moment of truth.

A teraz chwila prawdy.

We have to treat this specimen

Trzeba potraktować ten okaz chemikaliami tak,

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

żeby cząsteczki rozluźniły uchwyt.

and then, when we add water,

Wtedy dodajemy wody,

that swellable material is going to start absorbing the water,

żeby pęczniejący materiał zaczął chłonąć wodę,

the polymer chains will move apart,

łańcuchy polimerów rozsuną się,

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

i teraz dołączą do gry biocząsteczki.

And much like drawing a picture on a balloon,

Jeśli nadmuchamy rysunek na balonie,

and then you blow up the balloon,

the image is the same,

sam rysunek zostaje bez zmian,

but the ink particles have moved away from each other.

ale cząstki tuszu odsuwają się od siebie.

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

Teraz umiemy zrobić to w trzech wymiarach.

There's one last trick.

Jest jeszcze jeden problem.

As you can see here,

Jak widać,

we've color-coded all the biomolecules brown.

oznaczyliśmy biocząsteczki na brązowo,

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

bo wszystkie wyglądają tak samo.

Biomolecules are made out of the same atoms,

Biocząstki zbudowane są z tych samych atomów,

but just in different orders.

lecz w różnej kolejności.

So we need one last thing

Potrzeba jeszcze czegoś,

in order to make them visible.

żeby je uwidocznić.

We have to bring in little tags,

Trzeba wprowadzić znaczniki świecącymi kolorami,

with glowing dyes that will distinguish them.

które będą je rozróżniać.

So one kind of biomolecule might get a blue color.

Jedne biocząsteczki można zaznaczyć na niebiesko.

Another kind of biomolecule might get a red color.

Inne na czerwono.

And so forth.

I tak dalej.

And that's the final step.

To jest ostatni krok.

Now we can look at something like a brain

Teraz widać coś podobnego do mózgu,

and look at the individual molecules,

i widać poszczególne cząstki,

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

bo rozsunęliśmy je na tyle,

that we can tell them apart.

że da się je odróżnić.

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

Chcemy zmienić niewidoczne w widzialne.

We can turn things that might seem small and obscure

Możemy sprawić, by rzeczy małe i niejasne

and blow them up

zostały nadmuchane,

until they're like constellations of information about life.

aż staną się konstelacjami informacji o życiu.

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

Ten film pokazuje, jak mogłoby to wyglądać.

We have here a little brain in a dish --

Mamy tutaj móżdżek na szalce,

a little piece of a brain, actually.

w zasadzie kawałek mózgu.

We've infused the polymer in,

Wlaliśmy do niego polimer,

and now we're adding water.

a teraz dodajemy wodę.

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

Na waszych oczach,

this video is sped up about sixtyfold --

film został przyśpieszony 60-krotnie,

this little piece of brain tissue is going to grow.

ten mały mały fragment tkanki mózgowej zaczyna rosnąć.

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

Może zwiększyć objętość 100 razy, a nawet więcej.

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

Jako że polimery są tak małe,

we're separating biomolecules evenly from each other.

rozdzielamy biocząsteczki równomiernie.

It's a smooth expansion.

To daje płynny rozrost.

We're not losing the configuration of the information.

Nie tracimy ustawienia informacji.

We're just making it easier to see.

Ułatwiamy tylko ich zobaczenie.

So now we can take actual brain circuitry --

Weźmy prawdziwy zwój mózgowy.

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

Oto fragment mózgu, zaangażowany, na przykład, w pamięć,

and we can zoom in.

można go przybliżyć.

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

Można oglądać ustawienie obwodów.

Maybe someday we could read out a memory.

Może któregoś dnia odczytamy wspomnienia.

Maybe we could actually look at how circuits are configured

Może uda się zobaczyć ułożenie obwodów

to process emotions,

przetwarzających emocje,

how the actual wiring of our brain is organized

prawdziwą organizację mózgu,

in order to make us who we are.

która definiuje naszą osobowość.

And of course, we can pinpoint, hopefully,

Przy odrobinie szczęścia można by sprecyzować

the actual problems in the brain at a molecular level.

problemy w mózgu na poziomie cząsteczkowym.

What if we could actually look into cells in the brain

Może dałoby się zajrzeć do komórek mózgu,

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

rozgryźć, że zaszła zmiana 17 cząsteczek

in this brain tissue that has been undergoing epilepsy

w tkance mózgu w wyniku epilepsji

or changing in Parkinson's disease

lub z powodu Parkinsona

or otherwise being altered?

albo jeszcze innych powodów?

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

Mając uporządkowaną możliwych zaburzeń,

those become our therapeutic targets.

można obrać je za cel leczenia.

We can build drugs that bind those.

Tworzylibyśmy leki, które je wiążą.

We can maybe aim energy at different parts of the brain

Moglibyśmy celować energią w różne części mózgu,

in order to help people with Parkinson's or epilepsy

by pomagać ludziom z Parkinsonem lub epilepsją,

or other conditions that affect over a billion people

lub z innymi schorzeniami, które dotykają ponad miliarda ludzi

around the world.

na całym świecie.

Now, something interesting has been happening.

Dzieje się coś ciekawego.

It turns out that throughout biomedicine,

Okazuje się, że także innym problemom w biomedycynie

there are other problems that expansion might help with.

może pomóc nasze powiększanie.

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

Oto biopsja od pacjentki z rakiem piersi.

It turns out that if you look at cancers,

Okazuje się, że jeśli spojrzycie na raka,

if you look at the immune system,

na układ odpornościowy,

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

na starzenie się, na rozwój,

all these processes are involving large-scale biological systems.

to te procesy obejmują całe układy biologiczne.

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

Jednak problem zaczyna się od nanocząsteczek,

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

maszyn, które napędzają komórki i organy ciała.

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

Próbujemy dojść,

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

jak użyć tej techniki do odwzorowania podstawowych elementów życia

in a wide variety of diseases.

w szerokiej gamie chorób.

Can we actually pinpoint the molecular changes in a tumor

Czy da się określić molekularne zmiany w guzie,

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

żeby mądrze się z nim rozprawić,

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

dostarczyć leki, które wytępią wybrane komórki?

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

Medycyna jest w dużej mierze bardzo ryzykowna.

Sometimes, it's even guesswork.

Czasami to wręcz spekulacja.

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

Mam nadzieję zamienić ryzykowny lot na Księżyc

into something that's more reliable.

na coś bardziej niezawodnego.

If you think about the original moon shot,

Pierwszy lot na Księżyc

where they actually landed on the moon,

z udanym lądowaniem

it was based on solid science.

był oparty na solidnej nauce.

We understood gravity;

Zrozumieliśmy grawitację,

we understood aerodynamics.

aerodynamikę,

We knew how to build rockets.

wiedzieliśmy, jak budować rakiety.

The science risk was under control.

Ryzyko naukowe było pod kontrolą.

It was still a great, great feat of engineering.

Jest to wielkie osiągnięcie inżynierii.

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

Natomiast w medycynie nie mamy wszystkich praw.

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

Czy mamy prawa analogiczne do grawitacji

that are analogous to aerodynamics?

lub aerodynamiki?

I would argue that with technologies

Twierdzę, że dzięki takim technikom

like the kinds I'm talking about today,

jak te, o których mówię,

maybe we can actually derive those.

moglibyśmy odkryć takie prawa.

We can map the patterns that occur in living systems,

Możemy sporządzić wzory żywych organizmów

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

i rozgryźć, jak przezwyciężyć choroby, które nas nękają.

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

Mamy z żoną dwoje małych dzieci,

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

jednym z moich marzeń bioinżyniera jest to, żeby miały lepsze życie

than it currently is for us.

niż my obecnie.

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

Wierze, że przekształcenie biologii i medycyny

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

z ryzykownych przedsięwzięć rządzonych przez przypadek i szczęście,

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

na coś, co można wygrać umiejętnościami i ciężką pracą,

then that would be a great advance.

to byłby wielki postęp.

Thank you very much.

Dziękuję bardzo.

(Applause)

(Brawa)