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

Tradutor: Raissa Mendes Revisor: Ruy Lopes Pereira

Hello, everybody.

Olá, pessoal!

I brought with me today a baby diaper.

Trouxe aqui comigo uma fralda de bebê.

You'll see why in a second.

Vão entender por que daqui a pouco.

Baby diapers have interesting properties.

As fraldas têm propriedades interessantes.

They can swell enormously when you add water to them,

Podem inchar enormemente quando se adiciona água a elas,

an experiment done by millions of kids every day.

um experimento feito por milhões de crianças todos os dias.

(Laughter)

(Risos)

But the reason why

Mas a razão é que elas são projetadas de um jeito muito inteligente.

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

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

São feitas de um material expansível.

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

É um tipo especial de material que, ao se adicionar água,

it will swell up enormously,

incha tremendamente, até mil vezes seu volume.

maybe a thousand times in volume.

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

E esse é um tipo de polímero industrial muito útil.

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

Mas o que estamos tentando fazer no meu grupo no MIT

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

é descobrir se podemos fazer algo análogo no cérebro.

Can we make it bigger,

Será que podemos aumentá-lo o suficiente pra olhar lá dentro

big enough that you can peer inside

and see all the tiny building blocks, the biomolecules,

e enxergar esses tijolinhos, as biomoléculas,

how they're organized in three dimensions,

como elas se organizam em três dimensões,

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

ou, se preferirem, a estrutura real do cérebro?

If we could get that,

Se conseguirmos isso,

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

talvez possamos compreender melhor como o cérebro se organiza

to yield thoughts and emotions

para produzir pensamentos, emoções, ações e sensações.

and actions and sensations.

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

Talvez pudéssemos pinçar as mudanças exatas no cérebro

that result in diseases,

que resultam em doenças

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

como o Alzheimer, a epilepsia e Parkinson,

for which there are few treatments, much less cures,

para as quais não há muito tratamento nem cura,

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

e cuja causa e origem desconhecemos,

and what's really causing them to occur.

aquilo que realmente as provoca.

Now, our group at MIT

Bem, nosso grupo no MIT

is trying to take a different point of view

está buscando uma perspectiva diferente

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

daquela como a neurociência foi feita nos últimos 100 anos.

We're designers. We're inventors.

Somos designers, inventores, e estamos tentando descobrir

We're trying to figure out how to build technologies

como construir tecnologias que nos deixem ver e reparar o cérebro.

that let us look at and repair the brain.

And the reason is,

E a razão é que o cérebro é incrivelmente complicado.

the brain is incredibly, incredibly complicated.

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

O que aprendi com o último século de neurociência

is that the brain is a very complicated network,

foi que o cérebro é uma rede muito complicada,

made out of very specialized cells called neurons

feita de células muito especializadas chamadas neurônios,

with very complex geometries,

com geometrias muito complexas.

and electrical currents will flow through these complexly shaped neurons.

E correntes elétricas fluem através desses neurônios tão complexos.

Furthermore, neurons are connected in networks.

Além disso, os neurônios se conectam em redes,

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

através de pequenas junções, as chamadas sinapses,

que trocam substâncias químicas e permitem que os neurônios conversem entre si.

and allow the neurons to talk to each other.

The density of the brain is incredible.

A densidade do cérebro é incrível.

In a cubic millimeter of your brain,

Num milímetro cúbico do cérebro, existem cerca de 100 mil desses neurônios,

there are about 100,000 of these neurons

and maybe a billion of those connections.

e talvez um bilhão dessas conexões.

But it's worse.

Mas é muito mais que isso.

So, if you could zoom in to a neuron,

Assim, se pudéssemos ampliar um neurônio,

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

obviamente isto aqui é apenas uma arte,

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

veríamos milhares e milhares de tipos de biomoléculas,

little nanoscale machines organized in complex, 3D patterns,

pequenas máquinas em nanoescala, organizadas em complexos padrões 3D,

and together they mediate those electrical pulses,

e juntas elas intermedeiam esses pulsos elétricos,

those chemical exchanges that allow neurons to work together

essas trocas químicas que permitem aos neurônios trabalhar juntos

to generate things like thoughts and feelings and so forth.

para gerar pensamentos, sentimentos, e assim por diante.

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

Não sabemos como os neurônios se organizam no cérebro para formar redes,

to form networks,

and we don't know how the biomolecules are organized

nem como as biomoléculas se organizam dentro dos neurônios

within neurons

to form these complex, organized machines.

para formar essas máquinas complexas e organizadas.

If we really want to understand this,

Se quisermos entender isso realmente, vamos precisar de novas tecnologias.

we're going to need new technologies.

But if we could get such maps,

Mas, se conseguirmos tais mapas

if we could look at the organization of molecules and neurons

e pudermos observar a organização das moléculas e neurônios,

and neurons and networks,

e dos neurônios e suas redes,

maybe we could really understand how the brain conducts information

talvez possamos entender como o cérebro leva informação

from sensory regions,

das regiões sensoriais, a mistura com emoção e sentimento,

mixes it with emotion and feeling,

and generates our decisions and actions.

para gerar nossas decisões e ações.

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

Talvez possamos pinçar exatamente as mudanças moleculares que ocorrem

in a brain disorder.

numa desordem cerebral.

And once we know how those molecules have changed,

E uma vez descoberto como essas moléculas mudaram,

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

se cresceram em número ou mudaram de padrão,

we could use those as targets for new drugs,

poderíamos usá-las como alvo para novas drogas

for new ways of delivering energy into the brain

e para trazer energia para dentro do cérebro,

in order to repair the brain computations that are afflicted

de modo a recuperar as computações cerebrais atingidas

in patients who suffer from brain disorders.

em pacientes que sofrem de desordens cerebrais.

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

Temos visto, no último século, diversas tecnologias para isso.

to try to confront this.

I think we've all seen brain scans

Acho que todos aqui já viram tomografias de ressonância magnética do cérebro.

taken using MRI machines.

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

Obviamente elas têm a vantagem de serem não invasivas

they can be used on living human subjects.

e poderem ser realizadas em seres humanos vivos.

But also, they're spatially crude.

Mas ainda são espacialmente rudimentares.

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

Cada uma dessas áreas aqui, ou "voxels", como são chamadas,

can contain millions and millions of neurons.

podem conter milhões e milhões de neurônios.

So it's not at the level of resolution

Portanto, não é no nível da resolução que vamos pinçar as mudanças moleculares,

where it can pinpoint the molecular changes that occur

or the changes in the wiring of these networks

ou as mudanças na conexão dessas redes,

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

que contribuem para sermos seres conscientes e poderosos.

At the other extreme, you have microscopes.

No outro extremo, temos os microscópios.

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

Os microscópios usam a luz para ver coisas minúsculas.

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

Por séculos, têm sido usados para ver coisas como bactérias.

For neuroscience,

Para a neurociência,

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

os microscópios possibilitaram a descoberta dos neurônios

cerca de 130 anos atrás.

about 130 years ago.

But light is fundamentally limited.

Mas a luz tem limites básicos.

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

Não se veem moléculas individuais com o microscópio convencional.

You can't look at these tiny connections.

Não podemos ver essas minúsculas conexões.

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

Portanto, se quisermos ver o cérebro de forma mais potente,

to get down to the ground truth structure,

chegar à sua verdadeira estrutura,

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

vamos precisar de tecnologias melhores ainda.

My group, a couple years ago, started thinking:

Por isso, alguns anos atrás, começamos a pensar:

Why don't we do the opposite?

"Por que não fazemos o contrário?

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

Se é tão complicado assim ampliar a visão do cérebro,

why can't we make the brain bigger?

por que não aumentar o cérebro?"

It initially started

Começamos com dois estudantes de graduação, Fei Chen e Paul Tillberg,

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

e muitos outros da equipe estão ajudando nesse processo.

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

Decidimos pesquisar se podíamos pegar polímeros,

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

like the stuff in the baby diaper,

como os das fraldas, e instalá-los fisicamente dentro do cérebro.

and install it physically within the brain.

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

Se fizermos isso certo, e adicionarmos água,

you can potentially blow the brain up

podemos teoricamente inflar o cérebro

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

a ponto de distinguir as minúsculas moléculas umas das outras.

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

Poderíamos ver essas conexões e obter mapas do cérebro.

This could potentially be quite dramatic.

Isso seria um grande avanço.

We brought a little demo here.

Temos aqui material de fralda de bebê purificada.

We got some purified baby diaper material.

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

É muito mais fácil comprar pela internet do que extrair grãos dessas fraldas.

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

I'm going to put just one teaspoon here

Vou colocar somente uma colher de chá aqui

of this purified polymer.

deste polímero purificado.

And here we have some water.

E aqui temos um pouco d'água.

What we're going to do

O que vamos fazer

is see if this teaspoon of the baby diaper material

é ver se esta colher de chá do material da fralda pode aumentar de tamanho.

can increase in size.

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

Vocês vão vê-lo aumentar em volume cerca de mil vezes bem na sua frente.

before your very eyes.

I could pour much more of this in there,

Posso derramar mais um pouco, mas acho que já deu pra ter uma ideia

but I think you've got the idea

that this is a very, very interesting molecule,

de que é uma molécula muito, muito interessante

and if can use it in the right way,

e, se pudermos usá-la do jeito certo, poderemos aumentar o cérebro

we might be able to really zoom in on the brain

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

de uma forma que seria impossível com as antigas tecnologias.

OK. So a little bit of chemistry now.

Bem, agora um pouquinho de química.

What's going on in the baby diaper polymer?

O que aconteceu com o polímero da fralda?

If you could zoom in,

Se pudéssemos ampliá-lo, veríamos algo mais ou menos como isso.

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

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

Os polímeros são cadeias de átomos arranjados em linhas longas e finas.

The chains are very tiny,

E as cadeias são minúsculas, têm a largura de uma biomolécula.

about the width of a biomolecule,

and these polymers are really dense.

e os polímeros são muito densos.

They're separated by distances

Eles estão separados por distâncias cerca do tamanho de uma biomolécula.

that are around the size of a biomolecule.

This is very good

O que é ótimo,

because we could potentially move everything apart in the brain.

pois teoricamente poderíamos separar tudo no cérebro.

If we add water, what will happen is,

Se adicionarmos água, esse material expansível vai absorvê-la,

this swellable material is going to absorb the water,

the polymer chains will move apart from each other,

as cadeias de polímero vão se separar umas das outras,

and the entire material is going to become bigger.

e o material todo vai se tornar maior.

And because these chains are so tiny

Como essas cadeias são minúsculas e espaçadas em distâncias biomoleculares,

and spaced by biomolecular distances,

we could potentially blow up the brain

poderíamos inflar o cérebro e ampliá-lo o suficiente para vê-las.

and make it big enough to see.

Here's the mystery, then:

Mas aqui vem o problema:

How do we actually make these polymer chains inside the brain

como colocar essas cadeias de polímeros dentro do cérebro

so we can move all the biomolecules apart?

para separarmos as biomoléculas?

If we could do that,

Se conseguirmos isso, talvez possamos chegar a mapas precisos do cérebro,

maybe we could get ground truth maps of the brain.

We could look at the wiring.

e ver as conexões cerebrais.

We can peer inside and see the molecules within.

Poderíamos entrar lá e ver essas moléculas.

To explain this, we made some animations

Para explicar isso, fizemos algumas animações,

where we actually look at, in these artist renderings,

e podemos ver, nesta arte,

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

como devem ser as biomoléculas e como podemos separá-las.

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

A primeira coisa que teríamos de fazer

is attach every biomolecule, shown in brown here,

seria ligar todas as biomoléculas mostradas em marrom aqui

to a little anchor, a little handle.

a uma pequena âncora, uma pequena alça.

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

Precisaríamos separar as moléculas do cérebro umas das outras

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

e, para tanto, precisaríamos de uma pequena alça

that allows those polymers to bind to them

que permitisse a esses polímeros se ligarem a elas e se expandirem.

and to exert their force.

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

Se simplesmente pegarmos o polímero das fraldas e jogá-lo no cérebro,

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

obviamente ele vai ficar na superfície.

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

Assim, precisamos de um jeito de colocá-lo lá dentro.

And this is where we're really lucky.

E foi aqui que demos muita sorte.

It turns out, you can get the building blocks,

Acontece que podemos pegar as unidades dos polímeros, os monômeros,

monomers, as they're called,

and if you let them go into the brain

e, se os colocarmos dentro do cérebro e depois iniciar reações químicas,

and then trigger the chemical reactions,

you can get them to form those long chains,

conseguiríamos que eles formem essas longas cadeias

right there inside the brain tissue.

dentro do tecido cerebral.

They're going to wind their way around biomolecules

Eles vão se mover ao redor e entre essas biomoléculas,

and between biomolecules,

forming those complex webs

formando essas teias complexas

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

que acabam nos permitindo separar as moléculas umas das outras.

from each other.

And every time one of those little handles is around,

E cada vez que uma dessas pequenas alças está por perto,

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

o polímero vai se ligar a ela, e é exatamente o que precisamos

in order to pull the molecules apart from each other.

para separar as moléculas umas das outras.

All right, the moment of truth.

Tudo bem, chegou a hora da verdade.

We have to treat this specimen

Temos de tratar esta amostra

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

com uma substância química que separe as moléculas umas das outras,

and then, when we add water,

e, então, quando adicionarmos água,

that swellable material is going to start absorbing the water,

o material expansível vai começar a absorver a água,

the polymer chains will move apart,

as cadeias do polímero vão se separar,

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

só que, agora, as biomoléculas vão se mover juntas.

And much like drawing a picture on a balloon,

Seria como desenhar algo num balão, para depois enchê-lo;

and then you blow up the balloon,

the image is the same,

a imagem seria a mesma,

but the ink particles have moved away from each other.

mas com as partículas de tinta separadas umas das outras.

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

E é isso o que conseguimos fazer agora, mas em três dimensões.

There's one last trick.

Há um último truque.

As you can see here,

Como podem ver aqui,

we've color-coded all the biomolecules brown.

codificamos em cores todas as biomoléculas marrons, pois são meio parecidas.

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

Biomolecules are made out of the same atoms,

As biomoléculas são feitas dos mesmos átomos,

but just in different orders.

mas numa ordem diferente.

So we need one last thing

Assim, precisamos de uma última coisa de modo a torná-las visíveis.

in order to make them visible.

We have to bring in little tags,

Temos de colocar pequenas etiquetas com cores fosforescentes,

with glowing dyes that will distinguish them.

para diferenciá-las.

So one kind of biomolecule might get a blue color.

Assim, um tipo de biomolécula pode ser azul,

Another kind of biomolecule might get a red color.

outro tipo de biomolécula pode ser vermelha, e assim por diante.

And so forth.

And that's the final step.

E esse é o passo final.

Now we can look at something like a brain

Agora, podemos olhar para algo como o cérebro

and look at the individual molecules,

e ver as moléculas individuais,

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

porque as separamos o suficiente umas das outras

para podemos vê-las separadamente.

that we can tell them apart.

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

Assim, a esperança é que possamos fazer o invisível visível.

We can turn things that might seem small and obscure

Podemos pegar coisas que parecem pequenas e obscuras e ampliá-las

and blow them up

until they're like constellations of information about life.

até que pareçam constelações de informação sobre a vida.

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

Eis um vídeo real de como seria isso.

We have here a little brain in a dish --

Temos um pedaço pequeno de cérebro, num prato.

a little piece of a brain, actually.

We've infused the polymer in,

Injetamos polímero nele e adicionamos água.

and now we're adding water.

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

O que vão ver, bem na sua frente,

this video is sped up about sixtyfold --

neste vídeo acelerado cerca de 60 vezes,

this little piece of brain tissue is going to grow.

é que esse pedacinho de tecido cerebral vai crescer.

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

Ele pode aumentar até 100 vezes, ou até mais, em volume.

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

E o legal é que, como esses polímeros são muito pequenos,

we're separating biomolecules evenly from each other.

separamos as biomoléculas uniformemente.

It's a smooth expansion.

É uma expansão suave.

We're not losing the configuration of the information.

Não estamos perdendo a configuração da informação.

We're just making it easier to see.

Estamos apenas facilitando a sua visualização.

So now we can take actual brain circuitry --

Agora vamos pegar um circuito neural real,

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

um pedaço do cérebro ligado, por exemplo, à memória,

and we can zoom in.

e vamos aumentá-lo.

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

Podemos começar a ver como os circuitos são configurados.

Maybe someday we could read out a memory.

Talvez algum dia possamos ler uma memória.

Maybe we could actually look at how circuits are configured

Talvez possamos ver como os circuitos são configurados para processar as emoções,

to process emotions,

how the actual wiring of our brain is organized

a verdadeira organização do cérebro, que faz de nós quem somos.

in order to make us who we are.

And of course, we can pinpoint, hopefully,

E, é claro, esperamos poder identificar

the actual problems in the brain at a molecular level.

os problemas reais no cérebro num nível molecular.

What if we could actually look into cells in the brain

E se pudéssemos ver as células do cérebro

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

e descobrir, puxa, aqui estão as 17 moléculas que foram alteradas

in this brain tissue that has been undergoing epilepsy

nesse tecido cerebral que sofreu epilepsia

or changing in Parkinson's disease

ou alteradas pelo mal de Parkinson ou por outro motivo?

or otherwise being altered?

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

Se pegarmos a lista das coisas que sistematicamente dão errado,

those become our therapeutic targets.

elas se tornam nossos alvos terapêuticos.

We can build drugs that bind those.

Podemos construir drogas para elas,

We can maybe aim energy at different parts of the brain

talvez direcionar energia para certas partes do cérebro

in order to help people with Parkinson's or epilepsy

de modo a ajudar as pessoas com Parkinson ou epilepsia,

or other conditions that affect over a billion people

ou outras condições que afetam mais de 1 bilhão de pessoas no mundo todo.

around the world.

Now, something interesting has been happening.

E algo interessante está acontecendo.

It turns out that throughout biomedicine,

Ocorre que, por meio da biomedicina,

there are other problems that expansion might help with.

há outras áreas em que essa expansão pode ajudar.

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

Esta é uma biópsia real de uma paciente com câncer de mama.

It turns out that if you look at cancers,

Se olharmos para os tipos de câncer, se olharmos o sistema imunológico,

if you look at the immune system,

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

se olharmos o envelhecimento, o desenvolvimento,

all these processes are involving large-scale biological systems.

todos esses processos envolvem sistemas biológicos como um todo.

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

No entanto, os problemas começam com essas pequenas moléculas em nanoescala,

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

as máquinas que fazem funcionar as células e os órgãos do nosso corpo.

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

Por isso, agora vamos tentar descobrir

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

se podemos usar essa tecnologia para mapear os tijolos da vida

in a wide variety of diseases.

numa grande variedade de doenças.

Can we actually pinpoint the molecular changes in a tumor

Será que vamos poder localizar as mudanças num tumor

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

de modo a atacá-lo de um jeito inteligente

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

usando drogas que possam eliminar especificamente as células que queremos?

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

Muito da medicina envolve alto risco.

Sometimes, it's even guesswork.

Às vezes, é um jogo de adivinhação.

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

Minha esperança é podermos transformar um “pouso na Lua” de alto risco

into something that's more reliable.

em algo mais confiável.

If you think about the original moon shot,

Se pensarem no projeto original, e no efetivo pouso na Lua,

where they actually landed on the moon,

ele se baseou em ciência consolidada.

it was based on solid science.

We understood gravity;

Conhecíamos a gravidade e a aerodinâmica,

we understood aerodynamics.

We knew how to build rockets.

e sabíamos construir foguetes.

The science risk was under control.

O risco científico estava sob controle.

It was still a great, great feat of engineering.

Ainda assim, foi uma façanha enorme da engenharia.

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

Mas, na medicina, não temos necessariamente todas as leis.

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

Temos todas as leis análogas à gravidade ou à aerodinâmica?

that are analogous to aerodynamics?

I would argue that with technologies

Eu diria que com tecnologias como essa da qual falei hoje

like the kinds I'm talking about today,

maybe we can actually derive those.

talvez possamos chegar lá.

We can map the patterns that occur in living systems,

Podemos mapear os padrões que ocorrem nos sistemas vivos

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

e descobrir como superar as doenças que nos assolam.

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

Eu e minha esposa temos dois filhos pequenos

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

e, como bioengenheiro, minha esperança é tornar a vida deles melhor

than it currently is for us.

do que a que nós temos hoje.

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

E minha esperança é, se pudermos transformar a biologia e a medicina

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

de aventuras de alto risco, governadas pelo acaso e pela sorte,

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

em algo feito com habilidade e trabalho duro,

then that would be a great advance.

então isso já seria um grande avanço.

Thank you very much.

Muito obrigado.

(Applause)

(Aplausos) (Vivas)