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

Tradutor: Juliana Rodrigues Revisora: Margarida Ferreira

Hello, everybody.

Olá a todos.

I brought with me today a baby diaper.

Trouxe hoje comigo uma fralda para bebés.

You'll see why in a second.

Já vão ver porquê.

Baby diapers have interesting properties.

As fraldas têm propriedades interessantes.

They can swell enormously when you add water to them,

Conseguem inchar imenso quando lhes deitamos água,

an experiment done by millions of kids every day.

uma experiência feita por milhões de crianças todos os dias.

(Laughter)

(Risos)

But the reason why

Mas a razão para isso acontecer

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

é que o design é feito de modo muito inteligente.

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

Elas são feitas de um material absorvente.

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

Um tipo especial de material que, quando adicionada água,

it will swell up enormously,

consegue inchar tremendamente,

maybe a thousand times in volume.

talvez mil vezes mais em volume.

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

Trata-se de um polímero industrial muito útil.

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

Mas o que o nosso grupo do MIT está a tentar fazer

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

é perceber se conseguimos fazer algo semelhante com o cérebro.

Can we make it bigger,

Será que podemos aumentá-lo,

big enough that you can peer inside

de forma a ver o seu interior,

and see all the tiny building blocks, the biomolecules,

todos os pequenos elementos, as biomoléculas

how they're organized in three dimensions,

e a sua organização em três dimensões,

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

a estrutura, a verdadeira estrutura do cérebro?

If we could get that,

Se conseguíssemos isso,

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

talvez compreendêssemos melhor como o cérebro está organizado

to yield thoughts and emotions

para gerar pensamentos e emoções,

and actions and sensations.

ações e sensações.

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

Talvez pudéssemos tentar localizar mudanças cerebrais específicas

that result in diseases,

que geram doenças,

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

doenças como Alzheimer, epilepsia e Parkinson,

for which there are few treatments, much less cures,

para as quais há poucos tratamentos, quanto mais curas,

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

e para as quais, muitas vezes, não sabemos a causa ou origem

and what's really causing them to occur.

e o que realmente faz com que ocorram.

Now, our group at MIT

Agora, o nosso grupo do MIT

is trying to take a different point of view

está a tentar ver as coisas de um ângulo diferente

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

do da neurociência dos últimos cem anos.

We're designers. We're inventors.

Somos designers, inventores.

We're trying to figure out how to build technologies

Tentamos perceber como construir tecnologias

that let us look at and repair the brain.

que permitam observar e tratar o cérebro.

And the reason is,

E a razão é esta,

the brain is incredibly, incredibly complicated.

o cérebro é incrivelmente complicado.

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

O que nós aprendemos no primeiro século da neurociência

is that the brain is a very complicated network,

é que o cérebro é uma rede muito complicada,

made out of very specialized cells called neurons

feita de células muito especializadas, os neurónios,

with very complex geometries,

com geometrias muito complexas,

and electrical currents will flow through these complexly shaped neurons.

e há correntes elétricas que correm por esses neurónios com formas complexas.

Furthermore, neurons are connected in networks.

Além disso, os neurónios estão interligados em redes.

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

Estão ligados por pequenas junções, designadas sinapses, que trocam químicos

and allow the neurons to talk to each other.

e permitem aos neurónios comunicar entre si.

The density of the brain is incredible.

A densidade do cérebro é espantosa.

In a cubic millimeter of your brain,

Num milímetro cúbico do nosso cérebro,

there are about 100,000 of these neurons

existem cerca de cem mil neurónios destes

and maybe a billion of those connections.

e talvez mil milhões destas ligações.

But it's worse.

Mas o pior está para vir.

So, if you could zoom in to a neuron,

Então, se conseguissem ver o neurónio de perto

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

— claro, isto é apenas o nosso esboço artístico —

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

veriam milhares e milhares de tipos de biomoléculas,

little nanoscale machines organized in complex, 3D patterns,

pequenas nano-máquinas organizadas em padrões tridimensionais complexos,

and together they mediate those electrical pulses,

que juntas medeiam esses impulsos elétricos,

those chemical exchanges that allow neurons to work together

essas trocas químicas que permitem aos neurónios trabalhar juntos,

to generate things like thoughts and feelings and so forth.

gerando coisas como pensamentos, sentimentos, e por aí fora.

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

Mas nós não sabemos como os neurónios se organizam no cérebro formando redes,

to form networks,

and we don't know how the biomolecules are organized

nem sabemos como é que as biomoléculas se organizam nesses neurónios

within neurons

to form these complex, organized machines.

para formar essas máquinas organizadas e complexas.

If we really want to understand this,

Para realmente se perceber isto,

we're going to need new technologies.

são necessárias novas tecnologias.

But if we could get such maps,

Mas se pudéssemos obter estes mapas,

if we could look at the organization of molecules and neurons

se pudéssemos ver a organização de moléculas e neurónios

and neurons and networks,

e neurónios e redes,

maybe we could really understand how the brain conducts information

talvez conseguíssemos perceber realmente como o cérebro conduz informação

from sensory regions,

das regiões sensoriais,

mixes it with emotion and feeling,

a mistura com emoção e sentimento,

and generates our decisions and actions.

e produz as nossas decisões e ações.

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

Talvez pudéssemos identificar todas as alterações moleculares

in a brain disorder.

que ocorrem numa doença cerebral.

And once we know how those molecules have changed,

Uma vez sabendo que alterações as moléculas sofreram,

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

se tinham aumentado em número ou alterado o seu padrão,

we could use those as targets for new drugs,

poderíamos usá-las como alvos para novos fármacos,

for new ways of delivering energy into the brain

como forma de transferir energia para o cérebro

in order to repair the brain computations that are afflicted

de modo a reparar os cálculos cerebrais que foram afetados

in patients who suffer from brain disorders.

em pacientes que sofram de doenças cerebrais.

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

Todos nós vimos várias tecnologias diferentes no último século

a tentar responder a isto.

to try to confront this.

I think we've all seen brain scans

Acho que já todos vimos imagens do cérebro

taken using MRI machines.

adquiridas com aparelhos de ressonância magnética.

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

Tais máquinas têm a grande vantagem de não serem invasivas,

they can be used on living human subjects.

podendo ser usadas em seres humanos vivos.

But also, they're spatially crude.

Mas as imagens são grosseiras.

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

Cada uma destas manchas que veem, ou vóxeis, como são chamados,

can contain millions and millions of neurons.

pode conter milhões e milhões de neurónios.

So it's not at the level of resolution

Não é ao nível da resolução

where it can pinpoint the molecular changes that occur

que se podem identificar as alterações moleculares

or the changes in the wiring of these networks

ou as alterações nas ligações entre essas redes,

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

que contribuem para sermos seres conscientes e com grandes capacidades.

At the other extreme, you have microscopes.

No extremo oposto, temos os microscópios.

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

Os microscópios, claro, utilizam a luz para ver coisas muito pequenas.

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

Foram usados durante séculos para ver coisas como bactérias.

For neuroscience,

Na neurociência,

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

os neurónios foram descobertos precisamente com a ajuda de microscópios,

about 130 years ago.

há cerca de 130 anos.

But light is fundamentally limited.

Mas a luz tem limitações.

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

Não se veem moléculas individuais com um microscópio tradicional.

You can't look at these tiny connections.

Não se veem as pequenas ligações.

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

Portanto, se queremos melhorar a capacidade de ver o cérebro,

to get down to the ground truth structure,

de ver diretamente a sua verdadeira estrutura,

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

teremos de ter tecnologias ainda mais avançadas.

My group, a couple years ago, started thinking:

Há uns anos, o meu grupo começou a pensar:

Why don't we do the opposite?

E que tal fazer ao contrário?

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

Se é tão difícil fazer zoom no cérebro,

why can't we make the brain bigger?

porque não torná-lo maior?

It initially started

Começou com dois estudantes de mestrado do meu grupo, Fei Chen e Paul Tillberg.

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

Agora já há outros no grupo a ajudar no processo.

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

Decidimos tentar perceber se podíamos pegar em polímeros,

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

like the stuff in the baby diaper,

como a substância das fraldas,

e implantá-los fisicamente no cérebro.

and install it physically within the brain.

Se o fizéssemos corretamente, e adicionássemos água,

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

you can potentially blow the brain up

haveria a possibilidade de expandir o cérebro

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

até ao ponto de se distinguirem pequenas biomoléculas umas das outras.

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

Veríamos as tais ligações e teríamos mapas do cérebro.

This could potentially be quite dramatic.

Isto pode ser bastante dramático.

We brought a little demo here.

Trouxemos uma pequena demonstração.

We got some purified baby diaper material.

Arranjámos algum material purificado de fraldas de bebés.

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

É muito mais fácil comprá-lo na Internet

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

do que extrair os poucos grãos que existem nestas fraldas.

I'm going to put just one teaspoon here

Vou colocar aqui apenas uma colher de chá

of this purified polymer.

deste polímero purificado.

And here we have some water.

E aqui temos alguma água.

What we're going to do

O que iremos fazer

is see if this teaspoon of the baby diaper material

é ver se esta colher de chá de material de fraldas para bebés

can increase in size.

pode aumentar de volume.

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

Irão vê-lo aumentar de volume até cerca de mil vezes o seu tamanho

before your very eyes.

perante os vossos olhos.

I could pour much more of this in there,

Podia adicionar bastante mais,

but I think you've got the idea

mas acho que já ficaram com a ideia

that this is a very, very interesting molecule,

que isto é uma molécula muito, muito interessante.

and if can use it in the right way,

E se soubermos tirar partido dela,

we might be able to really zoom in on the brain

poderemos conseguir ampliar o cérebro

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

de um modo que não é possível com tecnologias antigas.

OK. So a little bit of chemistry now.

Muito bem, um pouco de química agora.

What's going on in the baby diaper polymer?

O que se passa com o polímero da fralda?

If you could zoom in,

Se pudessem ampliá-lo,

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

veriam algo como o que está no ecrã.

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

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

The chains are very tiny,

As cadeias são muito estreitas, cerca da largura de uma biomolécula,

about the width of a biomolecule,

and these polymers are really dense.

e estes polímeros são muito densos.

They're separated by distances

Estão separados a distâncias

that are around the size of a biomolecule.

que são idênticas ao tamanho de uma biomolécula.

This is very good

Isto é muito vantajoso

because we could potentially move everything apart in the brain.

pois desta forma poderíamos afastar entre si as estruturas do cérebro.

If we add water, what will happen is,

Se adicionarmos água, o que acontece

this swellable material is going to absorb the water,

é que este material expansível irá absorvê-la,

the polymer chains will move apart from each other,

as cadeias do polímero irão afastar-se umas das outras,

and the entire material is going to become bigger.

e todo o material irá tornar-se maior.

And because these chains are so tiny

E como as cadeias são muito estreitas

and spaced by biomolecular distances,

e espaçadas entre si de distâncias biomoleculares,

we could potentially blow up the brain

poderíamos expandir o cérebro

and make it big enough to see.

e torná-lo suficientemente grande para o vermos.

Here's the mystery, then:

Então, eis o mistério:

How do we actually make these polymer chains inside the brain

Como criar cadeias de polímeros dentro do cérebro

so we can move all the biomolecules apart?

para afastarmos as biomoléculas entre si?

If we could do that,

Se o conseguíssemos fazer,

maybe we could get ground truth maps of the brain.

talvez pudéssemos obter mapas realistas do cérebro.

We could look at the wiring.

Veríamos a sua conectividade.

We can peer inside and see the molecules within.

Poderíamos perscrutar o seu interior e ver as moléculas lá dentro.

To explain this, we made some animations

Para explicar isto, criámos umas animações

where we actually look at, in these artist renderings,

onde observamos, nessas representações artísticas,

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

como são as biomoléculas e como as poderemos separar.

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

Primeiro: o que teríamos de fazer, antes de mais,

is attach every biomolecule, shown in brown here,

seria ligar a cada biomolécula, aqui representadas a castanho,

to a little anchor, a little handle.

uma pequena âncora, uma pequena maçaneta.

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

Precisamos de afastar entre si as moléculas do cérebro

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

e, para tal, precisamos de uma pequena maçaneta

that allows those polymers to bind to them

que permita aos polímeros agarrarem-se a elas

and to exert their force.

e aplicar a sua força.

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

Agora, se pegarmos em polímero de fraldas e o pusermos no cérebro,

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

obviamente que ficará em cima dele.

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

É preciso perceber como colocar os polímeros lá dentro.

And this is where we're really lucky.

E é aqui que temos sorte.

It turns out, you can get the building blocks,

Ao que parece, podemos usar os blocos de construção,

monomers, as they're called,

chamados monómeros,

and if you let them go into the brain

e se os deixarmos entrar no cérebro

and then trigger the chemical reactions,

e ativar as reações químicas,

you can get them to form those long chains,

podemos fazer com que formem as tais cadeias longas,

right there inside the brain tissue.

mesmo no interior do tecido cerebral.

They're going to wind their way around biomolecules

Irão serpentear à volta das biomoléculas e entre as biomoléculas,

and between biomolecules,

forming those complex webs

formando estas redes complexas

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

que nos irão permitir, eventualmente,

afastar as moléculas entre si.

from each other.

And every time one of those little handles is around,

E de cada vez que se cruzar com uma dessas pequenas maçanetas,

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

o polímero irá ligar-se a ela, e é isso mesmo que nós precisamos

in order to pull the molecules apart from each other.

de modo a conseguir afastar as moléculas.

All right, the moment of truth.

Muito bem, é o momento da verdade.

We have to treat this specimen

Temos de tratar este espécime

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

com um químico, para relaxar as ligações entre as moléculas,

and then, when we add water,

e depois, quando adicionarmos água,

that swellable material is going to start absorbing the water,

este material expansível começará a absorvê-la,

the polymer chains will move apart,

as cadeias do polímero afastar-se-ão,

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

mas desta vez, as biomoléculas irão apanhar a boleia.

And much like drawing a picture on a balloon,

É análogo a fazer um desenho num balão,

and then you blow up the balloon,

e depois encherem o balão de ar,

the image is the same,

a imagem é a mesma,

but the ink particles have moved away from each other.

mas as partículas de tinta afastaram-se entre si.

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

E isso é o que fizemos 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.

marcámos todas as biomoléculas com a cor castanha.

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

Isto porque elas são todas muito parecidas.

Biomolecules are made out of the same atoms,

São feitas dos mesmos átomos,

but just in different orders.

mas com configurações diferentes.

So we need one last thing

Então é preciso só mais uma coisa

in order to make them visible.

de modo a torná-las visíveis.

We have to bring in little tags,

Temos de pôr pequenos marcadores,

with glowing dyes that will distinguish them.

com tintas brilhantes que irão permitir distingui-las.

So one kind of biomolecule might get a blue color.

Então, um dado tipo de biomolécula poderá ficar azul.

Another kind of biomolecule might get a red color.

Outro tipo de biomolécula poderá ficar vermelho.

And so forth.

E assim por diante.

And that's the final step.

E é esse o passo final.

Now we can look at something like a brain

Agora podemos olhar para algo como seja um cérebro

and look at the individual molecules,

e ver as várias moléculas,

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

porque as afastámos entre si o suficiente

that we can tell them apart.

para as conseguirmos distinguir.

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

A nossa esperança é conseguir tornar o invisível em visível.

We can turn things that might seem small and obscure

Podemos alterar coisas que parecem pequenas e obscuras,

and blow them up

e ampliá-las até parecerem constelações de informação sobre a vida.

until they're like constellations of information about life.

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

Aqui temos um vídeo de como isto poderá ser.

We have here a little brain in a dish --

Temos um pequeno cérebro numa placa

a little piece of a brain, actually.

— um pequeno pedaço de cérebro.

We've infused the polymer in,

Injetámos o polímero no interior,

and now we're adding water.

e agora estamos a juntar água.

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

O que veem é, diante dos vossos olhos

this video is sped up about sixtyfold --

— este vídeo foi acelerado cerca de seis vezes —

this little piece of brain tissue is going to grow.

que este pequeno pedaço de cérebro irá crescer.

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

Pode aumentar o volume em cem vezes ou até mais.

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

E a parte fixe é que, como esses polímeros são muito estreitos,

we're separating biomolecules evenly from each other.

estamos a afastar as biomoléculas de modo uniforme.

It's a smooth expansion.

É uma expansão suave.

We're not losing the configuration of the information.

Não estamos a perder a informação sobre a configuração.

We're just making it easier to see.

Estamos apenas a torná-la mais visível.

So now we can take actual brain circuitry --

Agora podemos pegar em circuitos do cérebro reais

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

— eis um pedaço do cérebro relacionado com a memória —

and we can zoom in.

e ampliar os mesmos.

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

Podemos começar a analisar como os circuitos estão configurados.

Maybe someday we could read out a memory.

Talvez um dia consigamos ler uma memória.

Maybe we could actually look at how circuits are configured

Talvez possamos realmente analisar a configuração dos circuitos

to process emotions,

que permite processar emoções,

how the actual wiring of our brain is organized

como é que as ligações no cérebro estão organizadas

in order to make us who we are.

fazendo de nós quem somos.

And of course, we can pinpoint, hopefully,

E, claro, esperamos conseguir identificar

the actual problems in the brain at a molecular level.

os verdadeiros problemas cerebrais a um nível molecular.

What if we could actually look into cells in the brain

E se fôssemos capazes de olhar para células do cérebro

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

e perceber, uau, aqui estão as 17 moléculas com alterações

in this brain tissue that has been undergoing epilepsy

neste tecido do cérebro em que ocorreu epilepsia,

or changing in Parkinson's disease

ou que mudou com Parkinson,

or otherwise being altered?

ou que sofreu outra alteração?

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

Se obtivermos uma lista sistemática das várias coisas erradas,

those become our therapeutic targets.

essas tornam-se os alvos terapêuticos.

We can build drugs that bind those.

Podemos criar fármacos para eles.

We can maybe aim energy at different parts of the brain

Podemos talvez enviar energia para diferentes zonas cerebrais

in order to help people with Parkinson's or epilepsy

ajudando pessoas com Parkinson, epilepsia

or other conditions that affect over a billion people

ou outras doenças que afetam mais de mil milhões de pessoas

around the world.

em todo o mundo.

Now, something interesting has been happening.

Agora, algo interessante tem estado a acontecer.

It turns out that throughout biomedicine,

Acontece que na biomedicina,

there are other problems that expansion might help with.

há outros problemas em que a expansão poderá ajudar.

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

Isto é uma biópsia verdadeira de um paciente com cancro da mama.

It turns out that if you look at cancers,

Ao que parece, se observarmos cancros,

if you look at the immune system,

ou o sistema imunitário,

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

ou o envelhecimento, ou o desenvolvimento,

all these processes are involving large-scale biological systems.

todos esses processos envolvem sistemas biológicos em grande escala.

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

Mas, claro, os problemas começam com essas moléculas à nanoescala,

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

as máquinas que permitem que as nossas células e os nossos órgãos funcionem.

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

O que estamos a tentar fazer agora é perceber

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

se podemos usar esta tecnologia para mapear os tijolos da vida

in a wide variety of diseases.

nas mais diversas doenças.

Can we actually pinpoint the molecular changes in a tumor

Será que podemos identificar alterações moleculares num tumor

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

de modo a atuar sobre ele de modo inteligente

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

e criar fármacos que possam eliminar exatamente as células que queremos?

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

Sabem, muito da medicina tem um risco elevado.

Sometimes, it's even guesswork.

Por vezes, são somente conjeturas.

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

Tenho esperança que possamos transformar uma tentativa arriscada de "ida à Lua"

into something that's more reliable.

em algo mais fiável.

If you think about the original moon shot,

Se pensarem na ida à Lua original,

where they actually landed on the moon,

a aterragem na Lua

it was based on solid science.

teve uma base científica sólida.

We understood gravity;

Nós percebíamos de gravidade,

we understood aerodynamics.

percebíamos de aerodinâmica.

We knew how to build rockets.

Sabíamos construir foguetões.

The science risk was under control.

O risco científico estava controlado.

It was still a great, great feat of engineering.

Ainda assim foi uma conquista bastante grande da engenharia.

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

Mas em medicina não temos propriamente todas as leis.

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

Teremos leis análogas à gravidade,

that are analogous to aerodynamics?

leis análogas à aerodinâmica?

I would argue that with technologies

Eu diria que com tecnologias como estas de que falei hoje

like the kinds I'm talking about today,

maybe we can actually derive those.

talvez possamos derivar essas leis.

We can map the patterns that occur in living systems,

Podemos mapear os padrões que ocorrem em seres vivos,

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

e descobrir como vencer as doenças que nos atingem.

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

A minha mulher e eu temos dois filhos jovens,

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

e tenho esperança, como bioengenheiro, de tornar a vida deles melhor

than it currently is for us.

do que a que nós temos agora.

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

E tenho esperança que, se pudermos mudar a biologia e a medicina,

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

de empreendimentos de alto risco, governados pela sorte,

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

para vitórias que atingimos com conhecimento e trabalho árduo,

then that would be a great advance.

então isso seria um grande avanço.

Thank you very much.

Muito obrigado.

(Applause)

(Aplausos)