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

Traducător: Ovidiu Popa Corector: Lorena Ciutacu

Hello, everybody.

Bună ziua tuturor.

I brought with me today a baby diaper.

Azi am adus un scutec de bebeluș.

You'll see why in a second.

O să vedeți imediat de ce.

Baby diapers have interesting properties.

Scutecele au proprietăți interesante.

They can swell enormously when you add water to them,

Se pot mări extrem de mult la contactul cu apa,

experiment făcut zilnic de milioane de copii.

an experiment done by millions of kids every day.

(Laughter)

(Râsete)

But the reason why

Dar motivul este acela

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

că sunt foarte inteligent gândite.

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

Sunt făcute dintr-un așa numit material absorbant.

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

E un tip special de material care, atunci când adaugi apă,

it will swell up enormously,

se umflă extrem de mult,

maybe a thousand times in volume.

poate chiar și de o mie de ori în volum.

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

Iar acesta e un tip de polimer industrial foarte util.

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

Dar ce încercăm noi să facem în grupul meu la MIT

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

e să vedem dacă putem face ceva asemănător cu creierul.

Can we make it bigger,

Îl putem mări destul

big enough that you can peer inside

cât să ne putem uita înăuntrul lui ca să vedem

and see all the tiny building blocks, the biomolecules,

toate acele părți constituente minuscule, biomoleculele,

how they're organized in three dimensions,

cum sunt organizate tridimensional,

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

și să vedem structura creierului cu ochii noștri.

If we could get that,

Dacă reușim asta,

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

am putea înțelege mai bine felul în care creierul este organizat

to yield thoughts and emotions

pentru a produce emoții și gânduri,

and actions and sensations.

acțiuni și senzații.

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

Poate putem repera schimbările exacte în creier

that result in diseases,

care pot rezulta în boli

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

precum Alzheimer, epilepsie sau Parkinson,

boli pentru care există puține tratamente, și cu atât mai puține leacuri

for which there are few treatments, much less cures,

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

și pentru care adesea nu cunoaștem cauzele sau originea,

and what's really causing them to occur.

ori ce le face de fapt să apară.

Now, our group at MIT

Grupul nostru de la MIT

is trying to take a different point of view

încearcă să vadă lucrurile dintr-o nouă perspectivă

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

vizavi de ceea ce a reușit neuroștiința în ultimul secol.

We're designers. We're inventors.

Suntem proiectanți, inventatori.

We're trying to figure out how to build technologies

Încercăm să găsim o cale de a crea tehnologii

that let us look at and repair the brain.

care să ne permită să analizăm și să reparăm creierul.

And the reason is,

Iar motivul este acela

the brain is incredibly, incredibly complicated.

că creierul este incredibil de complicat.

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

Ce am învățat de-a lungul primului secol de neuroștiință

is that the brain is a very complicated network,

este că creierul e o rețea foarte complicată

made out of very specialized cells called neurons

făcută din celule speciale numite neuroni

with very complex geometries,

care au o geometrie foarte complexă

and electrical currents will flow through these complexly shaped neurons.

și că prin acești neuroni cu forme complexe trece curent electric.

Furthermore, neurons are connected in networks.

Mai mult, neuronii sunt conectați în rețele.

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

Sunt conectați prin niște joncțiuni minuscule numite sinapse care fac schimb

de chimicale și permit neuronilor să comunice între ei.

and allow the neurons to talk to each other.

The density of the brain is incredible.

Densitatea creierului este incredibilă.

In a cubic millimeter of your brain,

Într-un milimetru cub din creierul vostru,

there are about 100,000 of these neurons

se află aproximativ 100.000 de neuroni

and maybe a billion of those connections.

și poate chiar un miliard de astfel de conexiuni.

But it's worse.

Dar e chiar mai rău de atât.

So, if you could zoom in to a neuron,

Dacă ne-am uita îndeaproape la un neuron,

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

desigur, asta e doar o redare artistică a unuia,

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

am vedea mii și mii de tipuri de biomolecule,

little nanoscale machines organized in complex, 3D patterns,

mecanisme micuțe la scară nano, organizate în structuri 3D complexe,

and together they mediate those electrical pulses,

care împreună dirijează acele impulsuri electrice,

those chemical exchanges that allow neurons to work together

acele schimburi de chimicale care permit neuronilor să conlucreze

to generate things like thoughts and feelings and so forth.

ca astfel să genereze gânduri, sentimente și tot așa.

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

Nu știm cum neuronii din creier sunt organizați

to form networks,

ca să formeze rețele

and we don't know how the biomolecules are organized

și nu știm cum biomoleculele sunt organizate în neuroni

within neurons

ca să formeze aceste mecanisme complexe și organizate.

to form these complex, organized machines.

If we really want to understand this,

Dacă vrem să înțelegem cu adevărat,

we're going to need new technologies.

vom avea nevoie de noi tehnologii.

But if we could get such maps,

Dar dacă am obține asemenea hărți,

if we could look at the organization of molecules and neurons

dacă ne-am uita la organizarea neuronilor și moleculelor,

and neurons and networks,

a neuronilor și rețelelor,

maybe we could really understand how the brain conducts information

poate chiar am înțelege cum creierul transmite informația

from sensory regions,

de la zonele senzoriale,

mixes it with emotion and feeling,

le îmbină cu emoțiile și sentimentele

and generates our decisions and actions.

și ne generează acțiunile și deciziile.

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

Poate am putea localiza modificările exacte ale moleculelor

in a brain disorder.

care cauzează disfuncțiile creierului.

And once we know how those molecules have changed,

Și odată ce vom ști cum s-au schimbat acele molecule,

fie că și-au mărit numărul, fie că și-au schimbat structura,

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

we could use those as targets for new drugs,

le-am putea folosi pentru a crea noi medicamente,

for new ways of delivering energy into the brain

a găsi noi modalități de transmitere a energiei la creier,

in order to repair the brain computations that are afflicted

pentru a corecta greșelile de calcul ale creierului

in patients who suffer from brain disorders.

la pacienții care suferă de disfuncții ale creierului.

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

În ultimul secol am văzut cu toții fel și fel de tehnologii

care încearcă să abordeze asta.

to try to confront this.

I think we've all seen brain scans

Cred că am văzut cu toții tomografii ale creierului

taken using MRI machines.

făcute cu ajutorul aparatelor RMN.

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

Acestea au o minunată caracteristică, aceea că sunt neinvazive,

they can be used on living human subjects.

astfel că pot fi folosite pe oameni vii.

But also, they're spatially crude.

Dar sunt și foarte mari.

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

Fiecare dintre aceste pete de cerneală, numite voxeli,

can contain millions and millions of neurons.

poate conține milioane și milioane de neuroni.

So it's not at the level of resolution

Deci nivelul rezoluției

nu permite localizarea schimbărilor moleculare care apar,

where it can pinpoint the molecular changes that occur

or the changes in the wiring of these networks

sau a schimbărilor de legături ale acestor rețele

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

care contribuie la abilitatea noastră de a fi ființe puternice și conștiente.

At the other extreme, you have microscopes.

La cealaltă extremă, avem microscoapele.

Ele folosesc lumină pentru a observa lucruri minuscule.

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

De secole au fost folosite pentru a observa bacterii, de exemplu.

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

For neuroscience,

În domeniul neuroștiinței,

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

chiar microscoapele au permis descoperirea neuronilor,

cam acum 130 de ani.

about 130 years ago.

But light is fundamentally limited.

Dar lumina este limitată de la natura ei.

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

Nu poți vedea molecule cu un oarecare microscop vechi.

You can't look at these tiny connections.

Nu poți observa aceste conexiuni minuscule.

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

Dacă vrem să ne formăm capacitatea de a observa creierul mai în amănunt,

to get down to the ground truth structure,

să ajungem să-l putem observa pe viu,

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

vom avea nevoie de tehnologii chiar și mai avansate.

My group, a couple years ago, started thinking:

Acum câțiva ani, persista o întrebare în grupul meu:

Why don't we do the opposite?

De ce nu facem opusul?

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

Dacă tot e atât de dificil să observăm creierul îndeaproape,

why can't we make the brain bigger?

de ce să nu-l facem mai mare?

Totul a început cu doi studenți avansați

It initially started

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

din grupul meu, Fei Chen și Paul Tillberg.

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

Acum sunt mai mulți care mă ajută la asta.

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

Ne-am decis să vedem dacă e posibil să luăm polimer,

like the stuff in the baby diaper,

cum e acela din scutece,

and install it physically within the brain.

și să-l introducem în creier.

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

Dacă am face asta și apoi am adăuga apă,

you can potentially blow the brain up

practic am putea umfla creierul

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

la punctul în care să putem distinge acele biomolecule minuscule.

Acele conexiuni ar fi vizibile și am obține reprezentări ale creierului.

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

This could potentially be quite dramatic.

Asta ar putea fi chiar dramatic.

We brought a little demo here.

Am pregătit o demonstrație.

We got some purified baby diaper material.

Avem aici un material pentru scutece epurat.

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

E mult mai simplu să-l cumperi de pe Internet

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

decât să extragi granulele care se află în scutece.

I'm going to put just one teaspoon here

Am să pun doar o linguriță

of this purified polymer.

din acest polimer epurat.

And here we have some water.

Iar aici avem niște apă.

What we're going to do

Ce vom face,

is see if this teaspoon of the baby diaper material

este să vedem dacă lingurița cu materialul folosit pentru scutece

can increase in size.

poate crește în volum.

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

O să vedeți că va crește de o mie de ori în volum

before your very eyes.

chiar acum, în fața voastră.

I could pour much more of this in there,

Aș putea continua să torn,

but I think you've got the idea

dar cred că v-ați dat seama deja

that this is a very, very interesting molecule,

că asta-i o moleculă extrem de interesantă

and if can use it in the right way,

care dacă e folosită cum trebuie,

we might be able to really zoom in on the brain

ne-ar putea permite să vedem creierul îndeaproape

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

așa cum nicio altă tehnologie nu ne-ar permite.

OK. So a little bit of chemistry now.

Acum, puțină chimie.

What's going on in the baby diaper polymer?

Ce se petrece în polimerul pentru scutecele de bebeluș?

If you could zoom in,

Dacă ați mări imaginea,

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

ați vedea ceva asemănător cu ce se află pe ecran.

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

Polimerul e format din lanțuri de atomi aranjați în linii subțiri și lungi.

The chains are very tiny,

Lanțurile sunt foarte micuțe,

about the width of a biomolecule,

cam de lățimea unei biomolecule,

and these polymers are really dense.

iar acești polimeri sunt foarte denși.

They're separated by distances

Sunt separați de distanțe

that are around the size of a biomolecule.

cam de mărimea unei biomolecule.

This is very good

Ăsta e un lucru foarte bun,

because we could potentially move everything apart in the brain.

deoarece am putea separa tot ce se află în creier.

If we add water, what will happen is,

Dacă adăugăm apă,

this swellable material is going to absorb the water,

materialul absorbant o va absorbi,

the polymer chains will move apart from each other,

lanțurile de polimer se vor distanța,

and the entire material is going to become bigger.

iar întregul material se va mări.

And because these chains are so tiny

Deoarece aceste lanțuri sunt foarte mici

and spaced by biomolecular distances,

și separate de distanțe biomoleculare,

we could potentially blow up the brain

am putea chiar să umflăm creierul

and make it big enough to see.

destul cât să vedem ce se află în el.

Here's the mystery, then:

Aici este misterul:

How do we actually make these polymer chains inside the brain

Cum am putea manipula aceste lanțuri de polimer din creier

so we can move all the biomolecules apart?

astfel încât să separăm toate moleculele?

If we could do that,

Dacă am putea face asta,

maybe we could get ground truth maps of the brain.

poate am putea realiza reprezentări ale creierului.

We could look at the wiring.

Ne-am putea uita la legături.

We can peer inside and see the molecules within.

Am putea privi înăuntru să vedem moleculele.

To explain this, we made some animations

Pentru a explica mai bine, am făcut câteva animații

where we actually look at, in these artist renderings,

în care vedem

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

cum ar arăta de fapt biomoleculele și cum le-am putea separa.

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

Primul pas: mai întâi de toate,

is attach every biomolecule, shown in brown here,

trebuie să atașăm fiecare moleculă reprezentată cu maro

to a little anchor, a little handle.

unei ancore, unui mâner minuscul.

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

Trebuie să separăm moleculele creierului una de alta,

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

iar pentru asta avem nevoie de un mic mâner

that allows those polymers to bind to them

care permite polimerilor să se prindă de ele

and to exert their force.

și să le exercite forța.

Dacă am lua un polimer pentru scutece și l-am pune în creier la întâmplare,

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

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

evident că va sta deasupra.

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

Așa că trebuie să găsim o cale să facem polimerii înăuntru.

And this is where we're really lucky.

Iar aici suntem norocoși.

It turns out, you can get the building blocks,

Se pare că se pot lua părțile constituente,

monomers, as they're called,

monomerii,

and if you let them go into the brain

și dacă le dai drumul în creier

and then trigger the chemical reactions,

ca apoi să înceapă reacțiile chimice,

you can get them to form those long chains,

aceștia pot forma acele lanțuri lungi

right there inside the brain tissue.

chiar înăuntrul țesutului cerebral.

They're going to wind their way around biomolecules

Ei se vor aduna în jurul biomoleculelor

and between biomolecules,

și între biomolecule,

forming those complex webs

formând acele țesuturi conjunctive complexe

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

care în final vor permite separarea moleculelor

from each other.

una de alta.

And every time one of those little handles is around,

Polimerul va încerca de fiecare dată

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

să se lege de mâner, exact ce ne trebuie

in order to pull the molecules apart from each other.

pentru a separa moleculele.

All right, the moment of truth.

Vine momentul adevărului.

We have to treat this specimen

Trebuie să tratăm acest specimen

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

cu o substanță chimică ce va face ca moleculele să se slăbească una de alta

and then, when we add water,

ca apoi, când vom adăuga apă,

that swellable material is going to start absorbing the water,

materialul absorbant să înceapă s-o absoarbă,

the polymer chains will move apart,

iar lanțurile de polimer să se separe.

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

Dar acum se vor alătura și biomoleculele.

And much like drawing a picture on a balloon,

Ca atunci când desenezi pe un balon

and then you blow up the balloon,

și apoi umfli balonul,

the image is the same,

imaginea rămâne aceeași,

but the ink particles have moved away from each other.

însă particulele de cerneală se îndepărtează unele de celelalte.

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

Asta am reușit să facem până acum, numai că în trei dimensiuni.

There's one last trick.

Mai este un ultim truc.

As you can see here,

După cum vedeți,

we've color-coded all the biomolecules brown.

am colorat toate biomoleculele în maro.

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

Asta pentru că toate arată cam la fel.

Biomolecules are made out of the same atoms,

Biomoleculele sunt făcute din aceiași atomi,

but just in different orders.

dar într-o ordine diferită.

So we need one last thing

Deci avem nevoie de un ultim lucru

in order to make them visible.

pentru a le face vizibile.

We have to bring in little tags,

Va trebui să punem mici etichete

with glowing dyes that will distinguish them.

colorate strălucitor ca să se poată diferenția.

So one kind of biomolecule might get a blue color.

Un tip de biomolecule ar avea culoarea albastră,

Another kind of biomolecule might get a red color.

alt tip ar avea culoarea roșie

And so forth.

și tot așa.

And that's the final step.

Iar acesta este ultimul pas.

Now we can look at something like a brain

Acum ne putem uita la ceva asemănător cu un creier

and look at the individual molecules,

și putem observa molecule separate,

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

deoarece le-am distanțat una de cealaltă suficient

that we can tell them apart.

cât să le diferențiem.

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

Noi sperăm să transformăm invizibilul în vizibil.

We can turn things that might seem small and obscure

Putem lua lucrurile care par minuscule și nedeslușite

and blow them up

și le putem mări

until they're like constellations of information about life.

până devin ca niște constelații de informație despre viață.

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

În acest video vedeți cum ar arăta de fapt.

We have here a little brain in a dish --

Avem un creier micuț într-o farfurie --

a little piece of a brain, actually.

de fapt, o bucățică de creier.

We've infused the polymer in,

Am infuzat polimerul

and now we're adding water.

și acum adăugăm apă.

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

Chiar acum, sub ochii voștri --

this video is sped up about sixtyfold --

videoclipul e derulat de 60 de ori mai repede --

this little piece of brain tissue is going to grow.

bucățica asta de țesut cerebral va crește.

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

Își poate mări volumul de 100 de ori sau chiar mai mult.

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

Partea tare e că, din moment ce polimerii sunt așa micuți,

we're separating biomolecules evenly from each other.

putem separa biomoleculele unele de celelate în mod egal.

It's a smooth expansion.

E o expansiune omogenă.

We're not losing the configuration of the information.

Nu se pierde configurația informației.

We're just making it easier to see.

Doar o facem mai ușor de observat.

Acum putem lua un circuit neuronal adevărat --

So now we can take actual brain circuitry --

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

iată o parte a creierului legată de memorie, de exemplu --

and we can zoom in.

și să-l mărim.

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

Putem începe să ne uităm

la cum sunt configurate circuitele.

Maybe someday we could read out a memory.

Poate cândva vom putea citi dintr-o amintire.

Maybe we could actually look at how circuits are configured

Poate am putea vedea cum sunt configurate circuitele

to process emotions,

pentru procesarea emoțiilor,

how the actual wiring of our brain is organized

sau cum sunt organizate legăturile din creierul nostru

in order to make us who we are.

care ne fac ceea ce suntem.

And of course, we can pinpoint, hopefully,

Și desigur, sperăm să putem localiza

the actual problems in the brain at a molecular level.

problemele survenite în creier la nivel molecular.

What if we could actually look into cells in the brain

Dacă ne-am putea uita în celulele creierului

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

și am descoperi, de exemplu, exact cele 17 molecule alterate

in this brain tissue that has been undergoing epilepsy

dintr-un țesut cerebral care a dezvoltat epilepsie,

or changing in Parkinson's disease

sau Parkinson,

or otherwise being altered?

sau altceva?

Dacă putem obține o listă sistematică a lucrurilor care nu merg bine,

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

those become our therapeutic targets.

ele devin țintele noastre terapeutice.

We can build drugs that bind those.

Putem crea medicamente care le pot remedia.

We can maybe aim energy at different parts of the brain

Poate reușim să canalizăm energie în diferite părți ale creierului

in order to help people with Parkinson's or epilepsy

ca să ajutăm oamenii cu Parkinson, epilepsie

or other conditions that affect over a billion people

sau alte boli care afectează peste un miliard de oameni

around the world.

de pe tot globul.

Now, something interesting has been happening.

S-a întâmplat ceva interesant.

It turns out that throughout biomedicine,

Se pare că în domeniul biomedicinei

există și alte probleme ce pot fi rezolvate prin expansiune.

there are other problems that expansion might help with.

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

Asta e o biopsie a unei paciente care suferă de cancer la sân.

It turns out that if you look at cancers,

Dacă vă uitați la cancer,

if you look at the immune system,

la sistemul imunitar,

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

la îmbătrânire, la dezvoltare --

all these processes are involving large-scale biological systems.

toate aceste procese implică sisteme biologice la scară largă.

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

Dar desigur, problemele încep cu acele molecule la scară nano,

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

cu mecanismele care dau impulsuri celulelor și organelor din corpul nostru.

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

Acum noi încercăm să aflăm

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

dacă putem folosi această tehnologie

pentru a face o reprezentare a elementelor veții

in a wide variety of diseases.

într-o varietate largă de boli.

Can we actually pinpoint the molecular changes in a tumor

Putem localiza schimbările la nivel molecular într-o tumoare

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

ca să putem acționa inteligent

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

și să folosim medicamente care elimină exact celulele vizate?

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

Medicina implică riscuri foarte mari.

Sometimes, it's even guesswork.

Câteodată chiar e la nimereală.

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

Sper să putem face ambițiile ce implică riscuri mari

into something that's more reliable.

să fie mai sigure.

If you think about the original moon shot,

Dacă vă gândiți literal

where they actually landed on the moon,

la misiunea de aselenizare,

it was based on solid science.

totul a fost bazat pe știință.

We understood gravity;

Am înțeles gravitația;

we understood aerodynamics.

am înțeles aerodinamica,

We knew how to build rockets.

știam să construim rachete.

The science risk was under control.

Riscul era sub control.

It was still a great, great feat of engineering.

Chiar și așa, a implicat multă inginerie.

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

Însă în medicină nu avem toate aceste legi.

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

Avem legi echivalente cu gravitația

that are analogous to aerodynamics?

sau cu aerodinamica?

I would argue that with technologies

Aș spune că, cu tehnologiile

like the kinds I'm talking about today,

de tipul celor menționate azi,

maybe we can actually derive those.

poate vom extrapola acele legi.

We can map the patterns that occur in living systems,

Putem reprezenta tiparele din organismele vii

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

și găsi o cale de a învinge bolile care ne dau de furcă.

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

Eu și soția mea avem doi copii,

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

iar una din speranțele mele ca bioinginer e să le facem viața

than it currently is for us.

mai bună decât este acum pentru noi.

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

Sper că dacă putem face ca în biologie și medicină

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

reușitele să nu mai fie datorate întâmplării și norocului,

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

ci aptitudinilor și muncii depuse,

then that would be a great advance.

ar fi un mare progres.

Thank you very much.

Vă mulțumesc foarte mult.

(Applause)

(Aplauze)