How We're Reverse Engineering the Human Brain in the Lab | Sergiu P. Pasca | TED

Переводчик: Евгения Щелокова Редактор: Natalia Savvidi

How does the human brain build itself?

Как формируется мозг человека?

How do circuits in the human brain

Как связываются друг с другом

wire together?

нервные цепи мозга?

For instance, how does one tiny neuron in the outer layer of the brain

Например, как один крошечный нейрон из коры головного мозга

send a thin axon all the way to the spinal cord,

отправляет тонкий аксон до спинного мозга,

find the right neuron

находит нужный нейрон

and then control muscle contraction

и затем управляет сокращением мышц,

as we extend a hand and grasp a glass of water?

когда мы протягиваем руку и берём стакан воды?

I'm here to tell you

Я расскажу вам сейчас о том,

that we can finally grow parts of the human brain

что стало возможным выращивать части человеческого мозга

from any individual

от любого человека,

and then build functioning human circuits

а затем создавать функциональные нейросети в лабораторной чаше для культур клеток.

in a laboratory cell culture dish.

These clumps of neural tissue are known as brain organoids.

Подобные скопления нервной ткани известны как церебральные «органоиды».

And when we put them together to form circuits, they become “assembloids.”

Когда мы объединяем их и формируем нейросети,

получаются «ассемблоиды».

Assembloids could be key to understanding how the human brain is built.

Ассемблоиды могут стать ключом к пониманию строения человеческого мозга.

Today, most of what we know about the human brain

Сейчас бóльшую часть знаний о человеческом мозге

comes from studies in animals, typically mice.

получают в результате опытов на животных, как правило, на мышах.

And while we've learned a lot from these animal brains,

Несмотря на то, что мы узнали многое из исследований на мозге животных,

особенности, благодаря которым человеческий мозг уникален

the characteristics that make the human brain unique,

and uniquely susceptible to disease,

и уникально восприимчив к болезням,

remain mysterious.

остаются загадкой.

I’m a physician by training and a professor at Stanford,

У меня медицинское образование, и я работаю профессором в Стэнфорде,

where my laboratory has been taking unconventional approaches

где в моей лаборатории применяются необычные подходы

to study how the human brain develops,

к изучению развития человеческого мозга,

how disorders in the human brain arise

возникновению нарушений в его работе

and find new ways of treatment.

и поиску новых способов лечения.

I think the best way to explain, though, how we do this

Думаю, лучше всего объяснить, как мы это делаем,

is through the eyes of one of my patients.

можно, посмотрев на это глазами одного из моих пациентов.

When I opened my lab at Stanford,

Когда я основал свою лабораторию в Стэнфорде,

Eduard, who's on the autism spectrum,

Эдуард, имеющий расстройство аутистического спектра,

sent me this drawing

прислал мне этот рисунок.

depicting how he thought we were studying brain disorders.

На нём изображено, как, по его мнению, мы изучаем нарушения в работе мозга.

Now to paraphrase him, he said,

Он сказал примерно так:

"What I think you're doing is you're climbing up a ladder,

«Я думаю, вы взбираетесь по лестнице,

poking holes in people's brains

проделываете отверстия в мозгах людей,

and then use tiny telescopes to watch neural cells."

а затем с помощью крошечных телескопов наблюдаете за нейронными клетками».

Of course, that's not what we do.

Конечно же, это не так.

So I called him up, explained the process,

Поэтому я позвонил и объяснил ему процесс,

and then the next morning he sent me another drawing,

и на следующее утро он прислал мне другой рисунок,

which I think ended up being a quite accurate representation

который, как мне кажется, довольно точно отображает

of the work that we and many others now are doing.

работу, которую мы и многие другие сейчас выполняем.

Again, to paraphrase him, he said,

Опять-таки, перефразируя его слова:

"You're taking skin cells

«Вы берёте клетки кожи

у пациентов с определенными нарушениями работы мозга,

from patients that have specific brain disorders,

then doing some mumbo jumbo to the cells

затем проделываете фокус с этими клетками,

to push them back in time

чтобы вернуть их в прошлое

and turn them into stem cells."

и превратить в стволовые клетки».

And then he knew that stem cells can be coaxed to become any cell type.

Он знал, что стволовые клетки можно превратить в клетки любого типа.

“So then you’re taking them and turning them into brain cells

«Значит, вы берёте их и превращаете в клетки мозга,

that form brain circuits.”

которые образуют нейросети».

That's right. We can build human brain circuits in a dish.

Именно так. Человеческие нейросети можно создавать в лабораторной среде.

How is that possible?

Как это возможно?

Building on the hard work of biologists over the past 15 years or so,

Благодаря кропотливой работе биологов за последние 15 и более лет

we can today take any cell type from any individual

сегодня можно взять клетки любого типа у любого человека,

and then push it back in time to turn them into stem cells

перенести их в прошлое и превратить в стволовые клетки,

а затем направить их так, чтобы они превратились в клетки любого другого типа.

and then guide those stem cells to become any other cell type.

We start by asking a patient to provide a small skin sample.

Для начала пациент предоставляет небольшой образец кожи.

We then take those skin cells,

Затем мы перепрограммируем эти клетки кожи

reprogram them by putting a series of genetic factors

путём введения ряда генетических факторов

and push them back in time

и переносим их в прошлое,

so that those skin cells become stem cells.

чтобы они превратились в стволовые клетки.

It's like cellular alchemy.

Это своего рода клеточная алхимия.

These stem cells have almost magical abilities

Стволовые клетки обладают волшебным свойством

to turn into any other cell type.

превращаться в любой другой тип клеток.

So what do we do?

Итак, что мы делаем?

We take the stem cells, we dissociate them,

Берём стволовые клетки, отделяем их друг от друга,

we then aggregate them

а затем собираем так,

so that they form spheres or tiny balls of cells.

чтобы они образовали сферы или крошечные шарики из клеток.

We then take those, move them into a special plate

Затем берём их, перемещаем в специальную чашу,

where there is a kind of chemical soup.

где находится своего рода химический суп.

And that chemical soup will allow them to grow

Благодаря химическому супу клетки будут расти,

and transform and turn into a brain organoid.

преобразовываться и превратятся в органоид мозга.

By providing different cues, we can turn this brain organoid

С помощью различных сигналов можно превратить этот органоид мозга

to resemble specific regions of the central nervous system.

в аналог определённых областей центральной нервной системы.

For instance, we have a recipe

У нас есть способ,

позволяющий превратить клетки в кору головного мозга,

that allows them to become a cerebral cortex,

the outer layer of the brain.

внешний слой мозга.

By using a slightly different combination of factors,

Используя слегка иную комбинацию компонентов,

we can turn them into a spinal cord.

можно превратить клетки в спинной мозг.

The secret to this process is careful guidance.

Секрет процесса кроется в правильном управлении процессом.

In the end, they look like this.

В итоге всё выглядит так.

Tiny clusters of brain cells at the bottom of a dish.

Крошечные скопления клеток мозга на дне чаши.

And let me be clear.

Внесу ясность.

This are not brains in a jar.

Это не мозги в баночке.

(Laughter)

(Смех)

These are parts of the nervous system in a laboratory dish.

Это фрагменты нервной системы в лабораторной чаше.

Each of them contains millions of cells,

В каждом фрагменте миллионы клеток,

and we can even listen as they fire electrical signals.

и можно даже услышать, как они подают электрические сигналы.

(Electrical signals firing)

(Передача электрических сигналов)

Or we can watch them

Или наблюдать, как они мерцают при электрической активности.

as they sparkle with electrical activity.

Or we can image inside and watch the cells as they communicate with each other.

Или понаблюдать изнутри, как клетки взаимодействуют друг с другом.

Isn't it remarkable to think that just a few months ago

Поразительно, всего несколько месяцев назад

these cells were skin cells in a patient,

это были клетки кожи пациента,

and now they are neural cells at the bottom of a dish

а сейчас это нейронные клетки на дне чаши,

that we can study at ease.

которые можно изучать.

(Applause)

(Аплодисменты)

Thank you.

Спасибо.

So with these models of brain growth,

Обладая моделями развития мозга,

we started wondering: Could we use them to start to understand disease?

мы задумались: можно ли с их помощью изучать причины возникновения заболеваний?

So for instance, we wanted to know,

Нам, например, хотелось узнать,

could we understand how low oxygen impacts the brains of premature babies?

как низкий уровень кислорода влияет на мозг недоношенных детей?

So to do this, we took brain organoids and put them in a special incubator.

Для этого мы взяли органоиды мозга и поместили их в специальный инкубатор.

We then lowered the concentration of oxygen and watched them.

Затем снизили концентрацию кислорода и наблюдали за ними.

We discovered something quite interesting.

Мы обнаружили нечто весьма интересное.

Only one specific cell type was affected by the low oxygen.

Низкое содержание кислорода повлияло только на один тип клеток.

That cell type is responsible for the expansion of the human cortex.

Данный тип клеток

отвечает за расширение коры головного мозга человека.

We found exactly how that happens

Удалось установить, как именно это происходит,

and even found the drug that could prevent that process.

и даже найти препарат, который может предотвратить этот процесс.

These clumps of three-dimensional tissue

Скопления трёхмерной ткани

can be grown in a dish for years.

можно выращивать в чаше в течение многих лет.

In fact, we've maintained the longest cultures

Если точнее, нам удалось сохранить самые длинные

that have been reported to date, going beyond 800 days.

из зарегистрированных на сегодня культур, которым более 800 дней.

At nine to 10 months, which is the equivalent of birth,

В период от девяти до десяти месяцев, что эквивалентно рождению,

they slowly transitioned, and they started to resemble the postnatal brain.

культуры начинают напоминать постнатальный мозг.

We have discovered a brain clock

Мы обнаружили часы мозга,

which keeps track of time in a dish and outside of the uterus.

которые следят за временем в чаше и вне матки.

Understanding the molecular mechanisms that underlie this brain clock

Понимание молекулярных механизмов, лежащих в основе этих часов,

could be key to finding new strategies

может стать ключом к поиску новых стратегий

to either accelerate or decelerate or rejuvenate human brain cells.

ускорения, замедления или омоложения клеток мозга человека.

The work that I've shown you so far

Работа, о которой я вам рассказал,

является новаторской не только из-за того,

is pioneering not just because of what it teaches us

что она дают информацию о человеческом мозге,

about the human brain,

but also because of the frontiers of ethics.

но и из-за этических границ.

Organoids and assembloids are not full replicas of the human brain.

Органоиды и ассемблоиды не являются точными копиями человеческого мозга.

They're not brains in a jar. They're not minibrain.

Это не мозги в баночке. Не мини-мозги.

They're not some stepping stone to a Frankenstein monster.

Они не ведут к созданию монстра Франкенштейна.

They have no blood flow,

В них нет кровотока,

they receive no meaningful inputs and outputs.

у них нет никакой значимой входной и выходной информации.

But at one point, they may become more complex.

Но на определённом этапе их организация может стать сложнее.

At one point, they may receive sensory input.

В какой-то момент они смогут воспринимать сенсорную информацию.

So as the science advances,

Поэтому по мере развития науки

we in the scientific community have been very careful

научное сообщество очень осторожно обсуждает этические вопросы,

about discussing what are some of the ethical questions,

the societal implications and potential regulations.

последствия для общества и возможные нормативные правила.

Most of the work that I’ve shown you so far

То, что я вам показал,

в основном касается одной конкретной области мозга.

has been in one specific brain region.

Однако, чтобы полностью понять работу нервных цепей,

But to really understand circuits,

we actually need to build more complicated brain circuits.

необходимо строить более сложные нервные цепи.

And so to do this, six years ago,

Поэтому шесть лет назад

we came up with a new approach to build human circuits

мы предложили новый подход к построению нервной цепи человека,

called an assembloid.

которая называется ассемблоидом.

Assembloids are essentially blocks of tissue

Ассемблоиды по сути представляют собой участки ткани,

that we build in a dish from multiple organoids put together.

которые создаются в чаше путём объединения нескольких органоидов.

When we put two brain organoids together,

Соединив два органоида мозга вместе,

we discovered something really fascinating.

мы обнаружили нечто действительно невероятное.

First, they fused to each other.

Сначала они слились друг с другом.

But then they started to communicate,

Затем они начали взаимодействовать,

and brain cells from one side

и клетки мозга с одной стороны

started to slowly migrate onto the other side

начали медленно мигрировать на другую сторону

and form circuits,

и формировать цепи,

much like they would in the actual brain.

подобно тому, как это происходит в мозге.

In fact, we can even watch them live as they move from one side to the other.

Более того, можно даже наблюдать вживую, как они перемещаются.

I still remember how we were in the lab in absolute awe

До сих пор помню, как в лаборатории все были в полном восторге,

when we saw for the first time

когда впервые увидели,

how human cells undergo this peculiar jumping behavior.

как клетки человека совершают эти своеобразные переходы.

This is all fascinating, but what is it actually good for?

Все это, конечно, увлекательно, но зачем это нужно?

Dysfunction in the human brain causes brain disorders,

Дисфункция мозга человека вызывает такие заболевания мозга,

such as autism and schizophrenia and Alzheimer's disease,

как аутизм, шизофрения и болезнь Альцгеймера.

devastating conditions that are poorly understood.

Это губительные состояния, которые недостаточно изучены.

Nearly one in five individuals suffers from a psychiatric disease.

Примерно каждый пятый страдает психическим расстройством.

What is even more striking

Ещё более поразительно то,

is that the lowest success rate for finding new drugs

что из всех отраслей медицины в психиатрии самый низкий показатель

is in psychiatry, out of all the branches of medicine,

успешного поиска новых лекарств,

likely because until now we couldn't really access the human brain.

возможно потому, что ранее не удавалось получить доступ к мозгу человека.

Using brain organoids and assembloids,

С помощью органоидов и ассемблоидов

we can create avatars for a patient's brain development

можно создавать модели развития мозга пациента

and then use those to dissect the molecular mechanism of disease.

и затем использовать их для изучения молекулярного механизма заболевания.

Let me give you one example.

Приведу пример.

As you have seen,

Как видите,

assembloids can be used

ассемблоиды можно использовать

to model this healthy jumping behavior of neurons.

для моделирования нормальных прыжков, характерных для нейронов.

So what we did is we created assembloids from patients with Timothy syndrome,

Поэтому нами были созданы ассемблоиды из клеток пациентов с синдромом Тимоти.

which is a rare genetic disease associated with autism and epilepsy.

Это редкое генетическое заболевание, связанное с аутизмом и эпилепсией.

When we looked inside the assembloids, we noticed something remarkable.

Заглянув внутрь ассемблоида, мы обнаружили нечто поразительное.

The cells were moving much faster,

Клетки двигались гораздо быстрее,

but every time they would jump, they would jump a shorter distance.

но при каждом прыжке они преодолевали меньшее расстояние.

Так что в итоге они оставались позади.

So in the end, they would be left behind.

Over the past six years in extensive studies,

За последние шесть лет в ходе обширных исследований

we've actually dissected the molecular mechanism of this defect

удалось изучить молекулярный механизм данного дефекта

and even found ways of restoring it.

и даже найти способы его устранения.

And we're excited to be moving towards a potential therapeutic avenue

Кроме того, нам не терпится перейти к возможному терапевтическому направлению

in the next year or so.

в следующем году.

(Applause)

(Аплодисменты)

The premise of organoids and assembloids

Мы надеемся, что органоиды и ассемблоиды

is that they will slowly allow us to gain new insights

позволят нам постепенно лучше понять

into the hidden biology of the human brain.

скрытую природу человеческого мозга.

And by doing so,

Тем самым

they could revolutionize the way we think about human brain development, evolution,

они могут изменить наше представление о развитии, эволюции,

function and disease.

функционировании и заболеваниях человеческого мозга.

So what's next?

Что будет дальше?

Well, to really be able to gain insight into more complex brain disorders,

Чтобы получать представление о более сложных заболеваниях мозга,

we need to build more complex circuits.

необходимо строить более сложные нейронные цепи.

So in the last minute, let me show you

Поэтому в заключение позвольте показать

the most complicated circuit we have built to date.

самую сложную нейронную цепь, созданную нами на сегодняшний день.

The circuit that controls voluntary movement.

Это цепь, контролирующая произвольные движения.

To do this, we've created three organoids.

Для этого были созданы три органоида.

One, shown here in purple, that resembles the cortex.

Один, лиловый, напоминает кору головного мозга.

One, in yellow, that resembles the spinal cord,

Другой, жёлтый, напоминает спинной мозг,

and one, in red, that resembles human muscle.

а третий, красный, напоминает мышцы человека.

We then put them together and watched them fuse

Затем мы объединили их вместе и понаблюдали, как они соединяются,

and noticed something really spectacular.

и заметили нечто поистине удивительное.

Neurons on the cortical side started extending axons,

Нейроны со стороны коры головного мозга начали выдвигать аксоны,

find spinal motor neurons in the spinal side,

находить моторные нейроны в спинном мозге,

connect with them,

соединяться с ними,

and then those farther project and connect to muscle.

а затем продвигаться дальше и соединяться с мышцами.

When we put a light stimulus on the cortical site,

При подаче светового раздражителя на участок коры головного мозга

we noticed the muscle on the opposite side contract.

было отмечено сокращение мышцы на противоположной стороне.

We have modeled for the first time a human cortical motor pathway.

Впервые был смоделирован моторный путь коры головного мозга человека.

(Applause)

(Аплодисменты)

And let me be clear.

Внесу ясность.

These cells find each other.

Клетки находят друг друга.

Unlike in engineering, we don't have a master plan,

В отличие от инженерного дела, у нас нет проекта,

we don't provide a plan because the human brain builds itself.

потому что мозг человека создаёт себя сам.

And then in itself, it's a remarkable opportunity

Кроме того, это прекрасная возможность

to try to reverse engineer

проанализировать,

what are some of the steps that underlie human brain development?

какие этапы лежат в основе развития мозга человека.

I know that this all sounds science fiction,

Я знаю, что это звучит как научная фантастика,

but we now do this routinely in the lab.

но такие исследования стали рутинными в нашей лаборатории.

We have derived thousands and thousands of organoids and assembloids

Сотни тысяч органоидов и ассемблоидов

получены из клеток людей с нервно-психическими заболеваниями,

from patients with various neuropsychiatric diseases,

и, среди прочего,

including, for instance,

мы инфицируем их вирусами, такими как вирус полиомиелита,

infecting them with viruses such as polio virus

to understand how diseases arise.

чтобы понять, как возникают заболевания.

The statistician George Box famously said,

У статистика Джорджа Бокса есть известное высказывание:

"All models are wrong, but some are useful."

«В сущности, все модели неправильны, но некоторые полезны».

(Laughter)

(Смех)

I do the work that I do

Я занимаясь этой работой потому,

because the promise and hope of brain assembloids and organoids

что с ассемблоидами и органоидами мозга связана надежда на то,

is that by allowing us to recreate circuits of the human brain,

что благодаря созданию нейронных цепей мозга

we will gain new insights into human biology.

мы сможем получить новые знания о биологии человека.

And this in itself will open a new era in the treatment of brain disorders.

Это само по себе откроет новую эру в лечении заболеваний мозга.

Thank you.

Спасибо.

(Applause)

(Аплодисменты)