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

Переводчик: Olenka Rasskazova Редактор: Natalia Ost

Hello, everybody.

Всем привет.

I brought with me today a baby diaper.

Я пришёл сегодня с детским подгузником,

You'll see why in a second.

и вы скоро поймёте почему.

Baby diapers have interesting properties.

У подгузников есть интересное свойство:

They can swell enormously when you add water to them,

они могут сильно набухать при добавлении воды.

an experiment done by millions of kids every day.

Этот эксперимент миллионы детей проводят ежедневно.

(Laughter)

(Смех)

But the reason why

Причина в том,

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

что они разработаны очень по-умному.

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

Они сделаны из так называемого набухающего материала.

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

Это особый вид материала, который при добавлении воды

it will swell up enormously,

набухает, увеличиваясь в объёме

maybe a thousand times in volume.

примерно в тысячу раз.

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

Этот промышленный вид полимера имеет широкое применение.

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

Наша группа в MIT пытается выяснить,

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

можем ли мы сделать что-то подобное с мозгом.

Can we make it bigger,

Можем ли мы увеличить его так,

big enough that you can peer inside

что сможем разглядеть

and see all the tiny building blocks, the biomolecules,

мельчайшие строительные блоки, биомолекулы,

how they're organized in three dimensions,

и их трёхмерную структуру,

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

собрать данные о структуре мозга, если можно так сказать?

If we could get that,

Если бы нам это удалось,

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

может, мы бы лучше поняли, как устроен наш мозг,

to yield thoughts and emotions

как в нём рождаются мысли, эмоции,

and actions and sensations.

действия и ощущения.

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

Может, мы бы смогли определить, какие именно изменения в мозге

that result in diseases,

приводят к таким заболеваниям,

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

как болезнь Альцгеймера, эпилепсия или болезнь Паркинсона,

for which there are few treatments, much less cures,

для которых у нас всего несколько вариантов лечения и лекарств,

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

и зачастую мы не понимаем причин или истоков болезни,

and what's really causing them to occur.

не знаем, чем она вызвана.

Now, our group at MIT

Сейчас наша группа в MIT

is trying to take a different point of view

пытается пересмотреть точку зрения,

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

главенствовавшую в нейробиологии на протяжении последних ста лет.

We're designers. We're inventors.

Мы дизайнеры. Мы изобретатели.

We're trying to figure out how to build technologies

Мы пытаемся выяснить, как создать технологии,

that let us look at and repair the brain.

которые позволят нам изучать и восстанавливать мозг.

And the reason is,

А причина в том,

the brain is incredibly, incredibly complicated.

что мозг невероятно, невероятно сложен.

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

Итак, за первый век нейробиологии мы узнали,

is that the brain is a very complicated network,

что мозг представляет собой очень сложную сеть,

made out of very specialized cells called neurons

состоящую из называемых нейронами особых клеток

with very complex geometries,

с очень сложной геометрией

and electrical currents will flow through these complexly shaped neurons.

и электрическими токами, проходящими через сложные по форме нейроны.

Furthermore, neurons are connected in networks.

Эти нейроны объединяются в сети:

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

нейроны соединены перемычками, синапсами, которые передают химические вещества,

and allow the neurons to talk to each other.

позволяя нейронам «общаться».

The density of the brain is incredible.

Их концентрация в мозге невероятна.

In a cubic millimeter of your brain,

В кубическом миллиметре вашего мозга

there are about 100,000 of these neurons

около 100 000 таких нейронов

and maybe a billion of those connections.

и, возможно, миллиард подобных соединений.

But it's worse.

Но это ещё не всё.

So, if you could zoom in to a neuron,

Если бы мы могли увеличить нейрон, —

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

тут, конечно, показано ви́дение нашего художника, —

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

вы бы увидели тысячи и тысячи разных видов биомолекул,

little nanoscale machines organized in complex, 3D patterns,

наноразмерных машин, организованных в сложные 3D-модели.

and together they mediate those electrical pulses,

Вместе они преобразовывают электрические импульсы

those chemical exchanges that allow neurons to work together

и проводят химические обмены, позволяющие нейронам вместе работать

to generate things like thoughts and feelings and so forth.

и генерировать, например, мысли, чувства и так далее.

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

Сейчас мы точно не знаем, как организованы нейроны в мозге,

to form networks,

как они формируют сети,

and we don't know how the biomolecules are organized

и мы не знаем, как биомолекулы организованы

within neurons

в нейронах

to form these complex, organized machines.

и как они формируют эти сложноорганизованные машины.

If we really want to understand this,

Если мы хотим это понять,

we're going to need new technologies.

нам нужны новые технологии.

But if we could get such maps,

Если бы мы получили карту мозга,

if we could look at the organization of molecules and neurons

если бы мы взглянули на организацию молекул и нейронов,

and neurons and networks,

нейронов и сетей,

maybe we could really understand how the brain conducts information

возможно, мы бы смогли понять, как мозг передаёт информацию

from sensory regions,

из сенсорных областей,

mixes it with emotion and feeling,

смешивает её с эмоциями и чувствами

and generates our decisions and actions.

и формирует наши решения и действия.

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

Возможно, мы бы определили набор молекулярных изменений, происходящих

in a brain disorder.

при болезни мозга.

And once we know how those molecules have changed,

Если бы мы знали, как изменяются эти молекулы, —

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

растёт ли их число или меняется структура, —

we could use those as targets for new drugs,

мы бы использовали эти данные для создания новых лекарств

for new ways of delivering energy into the brain

и новых путей доставки энергии в мозг,

in order to repair the brain computations that are afflicted

чтобы восстановить функции мозга у пациентов,

in patients who suffer from brain disorders.

страдающих от заболеваний мозга.

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

За последние сто лет появилось много разных технологий,

to try to confront this.

противостоящих этим болезням.

I think we've all seen brain scans

Я думаю, все видели снимки мозга,

taken using MRI machines.

сделанные с помощью аппарата МРТ.

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

Их достоинство в том, что они неинвазивны

they can be used on living human subjects.

и их можно применять на живых людях.

But also, they're spatially crude.

Но, увы, они пространственно не точны.

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

Каждый из этих сгустков, так называемых вокселей,

can contain millions and millions of neurons.

может содержать миллионы и миллионы нейронов.

So it's not at the level of resolution

Так что это не тот уровень разрешения,

where it can pinpoint the molecular changes that occur

где можно точно определить молекулярные изменения

or the changes in the wiring of these networks

или изменения в проводимости этих сетей,

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

которые делают нас сознательными и могущественными существами.

At the other extreme, you have microscopes.

С другой стороны, у нас есть микроскопы.

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

Микроскопам необходим свет, чтобы изучать мельчайшие частицы.

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

Веками мы пользовались микроскопами для изучения бактерий.

For neuroscience,

В нейробиологии

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

нейроны были впервые обнаружены именно с помощью микроскопов

about 130 years ago.

около 130 лет назад.

But light is fundamentally limited.

Но освещённость принципиально ограничена:

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

под обычным микроскопом нельзя изучать отдельные молекулы

You can't look at these tiny connections.

или исследовать мельчайшие соединения.

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

Так что, если мы хотим улучшить возможности по изучению мозга,

to get down to the ground truth structure,

дойти до сáмой его структуры,

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

нам необходимо создать более продвинутые технологии.

My group, a couple years ago, started thinking:

Моя группа пару лет назад задумалась,

Why don't we do the opposite?

почему бы не сделать наоборот?

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

Если так сложно увеличить изображение мозга,

why can't we make the brain bigger?

почему бы не сделать сам мозг больше?

It initially started

Всё началось

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

с двух студентов в моей группе, Фейя Ченя и Пола Тилберга.

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

Теперь и другие студенты присоединились к процессу.

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

Мы решили выяснить, что будет, если взять полимеры,

like the stuff in the baby diaper,

как в детских подгузниках,

and install it physically within the brain.

и поместить их в мозг.

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

Если сделать всё правильно и добавить воду,

you can potentially blow the brain up

можно увеличить мозг до такого размера,

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

чтобы можно было различать эти крошечные биомолекулы.

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

Тогда мы сможем изучить их соединения и получить карты мозга.

This could potentially be quite dramatic.

Это может стать сенсацией.

We brought a little demo here.

Мы принесли сюда образец.

We got some purified baby diaper material.

Мы извлекли немного очищенного полимера из подгузника.

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

Гораздо проще купить его в Интернете,

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

чем достать несколько гранул из подгузника.

I'm going to put just one teaspoon here

Я положу сюда всего одну чайную ложку

of this purified polymer.

очищенного полимера.

And here we have some water.

У нас есть немного воды.

What we're going to do

Сейчас мы посмотрим,

is see if this teaspoon of the baby diaper material

увеличится ли полимер из подгузника

can increase in size.

в размере.

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

Вы увидите, как объём увеличится примерно в тысячу раз

before your very eyes.

прямо на ваших глазах.

I could pour much more of this in there,

Я бы мог налить гораздо больше воды,

but I think you've got the idea

но думаю, что вы уже поняли,

that this is a very, very interesting molecule,

что это очень интересная молекула

and if can use it in the right way,

и если её использовать правильно,

we might be able to really zoom in on the brain

мы сможем увеличить мозг,

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

что было невозможно с прошлыми технологиями.

OK. So a little bit of chemistry now.

OK. Теперь немного химии.

What's going on in the baby diaper polymer?

Что происходит с полимером из подгузника?

If you could zoom in,

Если посмотреть под увеличением,

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

это бы выглядело, примерно как на экране.

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

Полимеры — это цепочки атомов, выстроенные в длинные тонкие линии.

The chains are very tiny,

Эти цепочки крошечные,

about the width of a biomolecule,

шириной примерно с биомолекулу,

and these polymers are really dense.

и плотность полимеров очень высока.

They're separated by distances

Промежутки между ними

that are around the size of a biomolecule.

размером примерно с биомолекулу.

This is very good

Это очень хорошо,

because we could potentially move everything apart in the brain.

потому что мы могли бы разделить их внутри мозга.

If we add water, what will happen is,

Если мы добавим воду,

this swellable material is going to absorb the water,

то набухающий материал поглотит её,

the polymer chains will move apart from each other,

полимерные цепочки отделятся друг от друга,

and the entire material is going to become bigger.

и при этом весь материал увеличится в размере.

And because these chains are so tiny

Эти цепочки крошечные

and spaced by biomolecular distances,

и разделены промежутками с биомолекулу,

we could potentially blow up the brain

потенциально мы сможем увеличить мозг,

and make it big enough to see.

чтобы заглянуть внутрь.

Here's the mystery, then:

Однако тут загадка:

How do we actually make these polymer chains inside the brain

как поместить эти полимерные цепочки внутрь мозга так,

so we can move all the biomolecules apart?

чтобы отделить биомолекулы друг от друга?

If we could do that,

Если бы нам это удалось,

maybe we could get ground truth maps of the brain.

возможно, мы бы получили карту структуры мозга.

We could look at the wiring.

Увидели бы схему мозга.

We can peer inside and see the molecules within.

Мы смогли бы заглянуть внутрь и разглядеть молекулы изнутри.

To explain this, we made some animations

Чтобы лучше это объяснить, мы сделали анимацию,

where we actually look at, in these artist renderings,

где, конечно, художник дал свою интерпретацию того,

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

как могут выглядеть биомолекулы и как мы бы могли разделить их.

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

Шаг первый: прежде всего мы должны

is attach every biomolecule, shown in brown here,

присоединить все биомолекулы, выделенные здесь коричневым цветом,

to a little anchor, a little handle.

к маленькому якорю, маленькой рукоятке.

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

Нам нужно отделить молекулы мозга друг от друга,

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

и чтобы сделать это, нам нужна небольшая рукоятка,

that allows those polymers to bind to them

позволяющая полимерам прикрепляться к молекулам

and to exert their force.

и использовать их силу.

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

Если просто взять полимер из подгузника и поместить его на мозг,

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

очевидно, что он просто осядет сверху.

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

Поэтому нам нужно найти способ доставить полимер внутрь.

And this is where we're really lucky.

И тут нам действительно повезло.

It turns out, you can get the building blocks,

Оказалось, можно получить строительные блоки,

monomers, as they're called,

так называемые мономеры.

and if you let them go into the brain

Если дать им проникнуть в мозг,

and then trigger the chemical reactions,

а затем вызвать химические реакции,

you can get them to form those long chains,

тогда мы сможем заставить их сформировать длинные цепи

right there inside the brain tissue.

прямо тут, внутри ткани мозга.

They're going to wind their way around biomolecules

Они проложат свой путь вокруг биомолекул

and between biomolecules,

и между биомолекулами,

forming those complex webs

образуя сложные перемычки,

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

которые далее помогут отделить молекулы

from each other.

друг от друга.

And every time one of those little handles is around,

И каждый раз, когда одна из этих маленьких рукояток рядом,

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

полимер будет прилепляться к ней, и это именно то, что нам нужно,

in order to pull the molecules apart from each other.

чтобы отделить молекулы друг от друга.

All right, the moment of truth.

Итак, момент истины.

We have to treat this specimen

Мы должны обработать этот образец

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

химическим веществом, чтобы ослабить связь между молекулами,

and then, when we add water,

и затем, когда мы добавим воду,

that swellable material is going to start absorbing the water,

набухающий материал начнёт поглощать её,

the polymer chains will move apart,

полимерные цепи разойдутся,

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

но теперь вместе с биомолекулами.

And much like drawing a picture on a balloon,

Это как нарисовать что-нибудь на воздушном шаре,

and then you blow up the balloon,

затем надуть шар,

the image is the same,

рисунок будет такой же,

but the ink particles have moved away from each other.

но частицы чернил разойдутся друг от друга.

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

Это мы можем делать уже сейчас, но в трёх измерениях.

There's one last trick.

И последняя хитрость.

As you can see here,

Как вы можете видеть здесь,

we've color-coded all the biomolecules brown.

мы покрасили биомолекулы в коричневый цвет,

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

потому что они все выглядят одинаково.

Biomolecules are made out of the same atoms,

Биомолекулы состоят из одинаковых атомов,

but just in different orders.

но в разной последовательности.

So we need one last thing

И последнее,

in order to make them visible.

нужно сделать их видимыми.

We have to bring in little tags,

Мы должны прикрепить к ним маленькие теги,

with glowing dyes that will distinguish them.

с яркими красками, которые позволит нам различать их.

So one kind of biomolecule might get a blue color.

Так один вид биомолекул может получить синий цвет,

Another kind of biomolecule might get a red color.

другой вид биомолекул — красный,

And so forth.

и так далее.

And that's the final step.

И последний шаг.

Now we can look at something like a brain

Теперь мы можем изучать, например мозг,

and look at the individual molecules,

исследовать отдельные молекулы,

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

потому что мы разделили их достаточно далеко друг от друга

that we can tell them apart.

и теперь можем их различать.

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

Мы надеемся сделать невидимое видимым.

We can turn things that might seem small and obscure

Мы можем увеличить крошечное и малопонятное,

and blow them up

и увеличив,

until they're like constellations of information about life.

мы бы смогли собрать необходимую информацию.

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

Вот конкретное видео, как это может выглядеть.

We have here a little brain in a dish --

У нас здесь немного мозга в чашке Петри,

a little piece of a brain, actually.

маленький кусочек мозга.

We've infused the polymer in,

Мы поместили внутрь полимер

and now we're adding water.

и теперь добавляем воду.

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

То, что вы сейчас увидите своими глазами, —

this video is sped up about sixtyfold --

это видео, ускоренное в 6 раз.

this little piece of brain tissue is going to grow.

Cейчас этот маленький кусочек ткани мозга начнёт расти.

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

Он может увеличиться в объёме в сотни раз или даже больше.

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

И самое интересное — эти полимеры настолько малы,

we're separating biomolecules evenly from each other.

что биомолекулы равномерно отделяются друг от друга.

It's a smooth expansion.

Происходит плавное расширение.

We're not losing the configuration of the information.

Мы не теряем структуру информации.

We're just making it easier to see.

Мы просто упрощаем себе задачу.

So now we can take actual brain circuitry --

Теперь мы видим фактическую схему мозга —

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

вот например, часть мозга, ответственная за память.

and we can zoom in.

Можно увеличить масштаб.

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

Можно посмотреть, как устроены схемы.

Maybe someday we could read out a memory.

Возможно, однажды мы прочитаем нашу память.

Maybe we could actually look at how circuits are configured

Возможно, мы поймём, как работают схемы,

to process emotions,

как обрабатываются эмоции,

how the actual wiring of our brain is organized

как организована схема нашего мозга,

in order to make us who we are.

которая делает нас теми, кто мы есть.

And of course, we can pinpoint, hopefully,

И также мы надеемся, что сможем определять

the actual problems in the brain at a molecular level.

существующие неполадки в мозге на молекулярном уровне.

What if we could actually look into cells in the brain

Что, если бы мы могли заглянуть в клетки мозга

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

и выяснить, что — ничего себе! — эти 17 молекул видоизменились

in this brain tissue that has been undergoing epilepsy

в ткани мозга, страдающего эпилепсией

or changing in Parkinson's disease

или болезнью Паркинсона

or otherwise being altered?

или чем-то ещё?

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

Если мы получим точный список отклонений,

those become our therapeutic targets.

то сможем определить пути лечения.

We can build drugs that bind those.

Мы сможем создать лекарства от них.

We can maybe aim energy at different parts of the brain

Возможно, мы сможем перенаправлять энергию в разные отделы мозга,

in order to help people with Parkinson's or epilepsy

чтобы помочь людям с Паркинсоном, эпилепсией

or other conditions that affect over a billion people

и другими болезнями более миллиарда человек

around the world.

по всему миру.

Now, something interesting has been happening.

Происходит что-то интересное.

It turns out that throughout biomedicine,

Оказалось, что в биомедицине

there are other problems that expansion might help with.

есть и другие проблемы, где это увеличение может помочь.

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

Это биопсия пациентки с раком молочной железы.

It turns out that if you look at cancers,

Если посмотреть на клетки рака,

if you look at the immune system,

на иммунную систему,

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

на процесс старения, на развитие болезни,

all these processes are involving large-scale biological systems.

видно, что во все эти процессы вовлечены крупные биологические системы.

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

Конечно же, все проблемы начинаются с этих маленьких наноразмерных молекул,

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

машин, которые заставляют клетки и органы работать.

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

Итак, сейчас мы попытаемся выяснить,

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

сможем ли мы с помощью этой технологии получить карту строительных блоков

in a wide variety of diseases.

в огромном разнообразии болезней.

Can we actually pinpoint the molecular changes in a tumor

Сможем ли мы определить молекулярные изменения в опухоли

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

и отследить то место,

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

куда надо доставить лекарство, чтобы уничтожить опасные для нас клетки?

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

Знаете, медицина — это всегда риск.

Sometimes, it's even guesswork.

Иногда это даже «метод тыка».

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

Мы надеемся, что сможем превратить эти рискованные попытки

into something that's more reliable.

в нечто более надёжное.

If you think about the original moon shot,

Вспомните наш полёт на Луну,

where they actually landed on the moon,

который состоялся на самом деле,

it was based on solid science.

и всё благодаря науке.

We understood gravity;

Мы изучили гравитацию,

we understood aerodynamics.

мы изучили аэродинамику.

We knew how to build rockets.

Мы знаем, как строить ракеты.

The science risk was under control.

Научные риски были под контролем.

It was still a great, great feat of engineering.

Это был величайший успех инженерии.

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

Но в медицине нам не нужно соблюдать все эти законы.

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

Есть ли у нас законы, аналогичные гравитации

that are analogous to aerodynamics?

и аналогичные аэродинамике?

I would argue that with technologies

Я считаю, что с помощью технологий,

like the kinds I'm talking about today,

о которых я сегодня говорил,

maybe we can actually derive those.

возможно, мы выведем такие законы.

We can map the patterns that occur in living systems,

Может, мы отметим паттерны, встречающиеся в живых организмах,

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

и выясним, как победить тревожащие нас болезни.

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

У нас с женой два маленьких ребёнка,

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

и одна из моих надежд как биоинженера — сделать их жизнь лучше,

than it currently is for us.

чем она есть сейчас для нас.

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

И я надеюсь, мы сможем изменить биологию и медицину

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

и превратить эти высокорискованные попытки, зависящие от случая и удачи,

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

в надёжные способы лечения с помощью мастерства и упорства —

then that would be a great advance.

это был бы большой шаг вперёд.

Thank you very much.

Большое спасибо.

(Applause)

(Аплодисменты)