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

Перекладач: Tanya Yanko Утверджено: Khrystyna Romashko

Hello, everybody.

Привіт усім!

I brought with me today a baby diaper.

Сьогодні я приніс із собою

дитячий підгузок.

You'll see why in a second.

Трохи згодом ви побачите навіщо.

Baby diapers have interesting properties.

Дитячі підгузки мають цікаві властивості.

They can swell enormously when you add water to them,

Вони сильно набухають, якщо туди налити води.

an experiment done by millions of kids every day.

Цей експеримент проводять мільйони дітей щороку.

(Laughter)

(Сміх)

But the reason why

Але причина, чому так стається,

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

в тому, що вони розроблені розумним способом.

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

Вони зроблені з так званого вбираючого матеріалу.

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

Це особливий вид матеріалу, який, коли налити води,

it will swell up enormously,

збільшується в об'ємі

приблизно в тисячу разів.

maybe a thousand times in volume.

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

Цей промисловий тип полімеру широко використовується.

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

Наша група в МІТ намагається

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

вияснити, чи ми можемо робити щось подібне з нашим мозком.

Can we make it bigger,

Чи можемо ми його збільшити,

big enough that you can peer inside

зробити настільки великим, щоб ми могли заглянути всередину

and see all the tiny building blocks, the biomolecules,

і розглянути крихітні будівельні блоки, біомолекули,

як вони розташовані у тривимірному просторі,

how they're organized in three dimensions,

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

зібрати дані про структуру мозку, якщо можна так сказати?

If we could get that,

Якщо нам це вдасться,

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

можливо, ми б краще зрозуміли,

як влаштований наш мозок,

to yield thoughts and emotions

як в ньому зароджуються думки, емоції,

and actions and sensations.

дії, відчуття.

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

Мабуть, ми могли б спробувати визначити, які саме зміни в мозку

that result in diseases,

призводять до таких захворювань

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

як хвороба Альцгеймера, епілепсія або хвороба Паркінсона,

for which there are few treatments, much less cures,

для яких існує лише кілька видів лікування і набагато менше ліків,

а, часто, причини або походження ми так і не знаємо,

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

and what's really causing them to occur.

і що насправді сприяло появі захворювання.

Now, our group at MIT

Наша група в МІТ зараз

is trying to take a different point of view

намагається переглянути свою точку зору,

яка базується на неврології протягом останніх ста років.

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

We're designers. We're inventors.

Ми дизайнери. Ми винахідники.

We're trying to figure out how to build technologies

Ми намагаємось вияснити, як створити технології,

that let us look at and repair the brain.

які дозволять нам вивчати і відновлювати мозок.

And the reason is,

А причина в тому,

що мозок неймовірно, неймовірно складний.

the brain is incredibly, incredibly complicated.

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

Таким чином, за перше століття неврології ми дізналися,

is that the brain is a very complicated network,

мозок - це дуже складна сітка,

made out of very specialized cells called neurons

яка складається з особливих клітин, під назвою нейрони,

with very complex geometries,

із складною формою

and electrical currents will flow through these complexly shaped neurons.

та електричним струмом, що проходить крізь складні за формою нейрони.

Furthermore, neurons are connected in networks.

Більше того, нейрони з’єднуються в сітки.

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

Вони поєднані маленькими вузлами, синапсами, які передають хімічні речовини

and allow the neurons to talk to each other.

і дозволяють нейронам «спілкуватися».

The density of the brain is incredible.

Щільність мозку є неймовірною.

In a cubic millimeter of your brain,

В кубічному міліметрі вашого мозку

there are about 100,000 of these neurons

близько 100 000 таких нейронів

and maybe a billion of those connections.

і , мабуть, мільярд таких з’єднань.

But it's worse.

Але це ще не все.

So, if you could zoom in to a neuron,

Якщо б ми могли збільшити нейрон,

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

тут, звичайно, показано бачення нашого художника,

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

ви б побачили тисячі і тисячі різних видів

little nanoscale machines organized in complex, 3D patterns,

малих наномеханізмів, які організовані в складні 3D-моделі.

Разом вони перетворюють електричні імпульси,

and together they mediate those electrical pulses,

those chemical exchanges that allow neurons to work together

які дозволяють нейронам працювати разом

to generate things like thoughts and feelings and so forth.

і генерувати, наприклад, думки, відчуття і так далі.

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

Зараз, ми точно не знаємо, як організовані нейрони в мозку,

як вони формують сітки,

to form networks,

and we don't know how the biomolecules are organized

і ми не впевнені в тому, як організовані біомолекули

within neurons

в нейронах,

як вони формують ці складні механізми.

to form these complex, organized machines.

If we really want to understand this,

Якщо ми хочемо це зрозуміти,

we're going to need new technologies.

нам потрібні нові технології.

But if we could get such maps,

Якщо б ми отримали схему мозку,

if we could look at the organization of molecules and neurons

якщо ми б подивилися на розташування молекул і нейронів,

and neurons and networks,

нейронів і сіток,

maybe we could really understand how the brain conducts information

можливо, нам вдалося б зрозуміти, як мозок передає інформацію

from sensory regions,

з сенсорних областей,

mixes it with emotion and feeling,

поєднує її з емоціями і відчуттями,

and generates our decisions and actions.

і формує наші рішення і дії.

Мабуть, ми б визначили комплекс молекулярних змін,

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

in a brain disorder.

які відбуваються при хворобі мозку.

Якщо б ми знали, як змінюються ці молекули,

And once we know how those molecules have changed,

росте їх число чи змінюється структура,

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

we could use those as targets for new drugs,

ми б використовували ці дані для створення нових ліків,

for new ways of delivering energy into the brain

нових шляхів доставки енергії в мозок,

щоб відновити функції мозку в пацієнтів,

in order to repair the brain computations that are afflicted

in patients who suffer from brain disorders.

які страждають від захворювань мозку.

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

За останнє століття ми бачили багато різних технологій,

які намагаються протистояти цим захворюванням.

to try to confront this.

I think we've all seen brain scans

Я вважаю, що кожен з нас бачив знімки мозку,

зроблені за допомогою МРТ.

taken using MRI machines.

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

Беззаперечно, їхня перевага в тому, що вони неінвазивні ,

they can be used on living human subjects.

їх можна застосувати на живих людях.

But also, they're spatially crude.

Проте, вони просторово не точні.

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

Кожна з цих крапель, які ви бачите, їх ще називають векселями,

can contain millions and millions of neurons.

можуть містити мільйони, мільйони нейронів.

So it's not at the level of resolution

Тому, це не той рівень, на якому

where it can pinpoint the molecular changes that occur

можна точно визначити молекулярні зміни

or the changes in the wiring of these networks

або зміни в електропровідності цих сіток,

які сприяють нашій можливості бути свідомими і могутніми істотами.

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

At the other extreme, you have microscopes.

З іншої сторони, ми розглянемо мікроскопи.

Звичайно, мікроскопам потрібне світло, щоб вивчати найменші складові.

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

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

Століттями їх використовували для вивчення бактерій.

For neuroscience,

В неврології

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

нейрони були вперше виявлені саме за допомогою мікроскопів

близько 130 років назад.

about 130 years ago.

But light is fundamentally limited.

Але, в основному, на світло є певні обмеження.

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

Під звичайним мікроскопом ми не можемо вивчати молекули окремо.

Не можемо досліджувати ці крихітні з’єднання між ними.

You can't look at these tiny connections.

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

Тож, якщо ми хочемо покращити нашу здатність вивчення мозку

до самої структури,

to get down to the ground truth structure,

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

нам необхідно створити кращі технології для цього.

My group, a couple years ago, started thinking:

Пару років назад моя група задумалась:

Why don't we do the opposite?

чому б нам не зробити навпаки?

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

Якщо настільки складно збільшити зображення мозку,

why can't we make the brain bigger?

чому б тоді нам не збільшити мозок?

Все почалося

It initially started

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

з двох студентів моєї групи, Фей Чена і Пола Тілберґа.

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

Зараз й інші студенти допомагають нам з цим процесом.

Ми вирішили вияснити, що трапиться, якщо взяти полімери,

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

like the stuff in the baby diaper,

як в дитячих підгузках,

and install it physically within the brain.

і встановити їх в мозок.

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

Якщо ми зробимо це правильно і додамо води,

you can potentially blow the brain up

то можна збільшити мозок

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

до такого розміру, щоб розрізняти ці крихітні біомолекули.

Тоді нам вдасться дослідити ці з’єднання між ними і отримати схему мозку.

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

This could potentially be quite dramatic.

Це може стати сенсацією.

Ми принесли сюди маленьке демо.

We brought a little demo here.

We got some purified baby diaper material.

Ми маємо трохи очищеного полімеру з підгузка.

Набагато легше купити його в Інтернеті,

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

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

ніж дістати декілька гранул з підгузника.

I'm going to put just one teaspoon here

Я покладу сюди лише одну чайну ложку

of this purified polymer.

очищеного полімеру.

And here we have some water.

В нас також є трохи води.

What we're going to do

Зараз ми подивимось,

is see if this teaspoon of the baby diaper material

чи збільшиться чайна ложка

can increase in size.

полімеру з підгузника.

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

Об’єм збільшиться приблизно в тисячу разів,

before your very eyes.

і ви це побачите на власні очі.

I could pour much more of this in there,

Я зможу налити набагато більше води,

but I think you've got the idea

але думаю, що ви вже зрозуміли,

наскільки ця молекула є цікавою.

that this is a very, very interesting molecule,

and if can use it in the right way,

Якщо її правильно використовувати,

we might be able to really zoom in on the brain

то ми зможемо збільшити мозок,

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

що було неможливим з попередніми технологіями.

OK. So a little bit of chemistry now.

Добре. Тепер перейдемо до хімії.

What's going on in the baby diaper polymer?

Що стається з полімером підгузника?

If you could zoom in,

Якщо подивитися на збільшене зображення,

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

то це б виглядало приблизно так, як на екрані.

Полімери – це ланцюжки атомів, розташовані в довгі тонкі лінії.

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

The chains are very tiny,

Ланцюжки є надзвичайно малими,

завширшки з біомолекулу,

about the width of a biomolecule,

and these polymers are really dense.

і ці полімери є дуже щільними.

They're separated by distances

Відстань між ними

that are around the size of a biomolecule.

є такою за величиною, як біомолекула.

This is very good

Це дуже добре тому,

because we could potentially move everything apart in the brain.

що ми б могли їх розділити всередині мозку.

If we add water, what will happen is,

Якщо ми додаємо воду,

this swellable material is going to absorb the water,

то набухлий матеріал поглинає рідину.

the polymer chains will move apart from each other,

Ланцюжки полімерів розділяться

and the entire material is going to become bigger.

і весь матеріал почне збільшуватися в розмірі.

And because these chains are so tiny

Через те, що ланцюжки є дуже малими

and spaced by biomolecular distances,

і між ними є проміжки

we could potentially blow up the brain

розміром з біомолекулу,

and make it big enough to see.

ми потенційно можемо збільшити мозок, щоб роздивитися його.

З цього випливає загадка:

Here's the mystery, then:

How do we actually make these polymer chains inside the brain

як помістити ці ланцюжки з полімерів всередину мозку,

so we can move all the biomolecules apart?

щоб відділити біомолекули одну від одної?

If we could do that,

Якщо б нам це вдалося,

maybe we could get ground truth maps of the brain.

ми б отримали схему мозку.

We could look at the wiring.

Ми б змогли роздивитися цю схему.

We can peer inside and see the molecules within.

Нам вдалося б заглянути всередину і роздивитися молекули.

To explain this, we made some animations

Щоб краще це пояснити, ми зробили анімацію,

where we actually look at, in these artist renderings,

де художник візуалізував те,

як можуть виглядати біомолекули і як ми можемо їх розділити.

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

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

Крок перший: спочатку нам потрібно

is attach every biomolecule, shown in brown here,

прикріпити всі біомолекули, виділені коричневим кольором,

to a little anchor, a little handle.

до маленького якоря, маленького важіля.

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

Нам потрібно розділити молекули мозку,

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

і щоб це зробити, нам потрібен невеликий важіль,

that allows those polymers to bind to them

що дозволить полімерам прикріпитися до молекул

and to exert their force.

і використовувати їхню силу.

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

Якщо просто взяти полімер з підгузника і помістити його в мозок,

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

очевидно, що він просто осяде зверху.

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

Тож нам потрібно виявити, як помістити полімер всередину.

І тут нам справді пощастило.

And this is where we're really lucky.

It turns out, you can get the building blocks,

Виявилося, що ми можемо отримати будівельні блоки,

так звані мономери.

monomers, as they're called,

and if you let them go into the brain

І якщо вони проникнуть в мозок

and then trigger the chemical reactions,

і викличуть хімічну реакцію,

you can get them to form those long chains,

тоді ми можемо змусити їх утворити довгі ланцюги

всередині мозку.

right there inside the brain tissue.

They're going to wind their way around biomolecules

Вони продовжують свій шлях навколо біомолекул

and between biomolecules,

і між ними,

forming those complex webs

формуючи складні сітки,

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

які зрештою дозволяють нам відділити молекули

from each other.

одну від одної.

And every time one of those little handles is around,

І кожен раз, коли один з цих малих важелів близько,

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

полімер з’єднається з ним, і це саме те,

що нам потрібно, щоб розділити молекули.

in order to pull the molecules apart from each other.

All right, the moment of truth.

Отже, момент істини.

We have to treat this specimen

Нам потрібно опрацювати цей зразок

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

з хімічними речовинами, щоб ослабити зв’язок між молекулами.

І тоді, коли ми додамо воду,

and then, when we add water,

that swellable material is going to start absorbing the water,

цей матеріал, який розбухає, почне вбирати воду.

the polymer chains will move apart,

Ланцюжки з полімерів розділяться,

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

але тепер це станеться і з біомолекулами.

And much like drawing a picture on a balloon,

Це як намалювати щось на повітряній кулі,

and then you blow up the balloon,

і потім надути її,

the image is the same,

малюнок залишається незмінним,

but the ink particles have moved away from each other.

але частинки чорнила розділяться.

Це те, що ми можемо робити зараз, проте в тривимірному просторі.

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

There's one last trick.

Ось і остання хитрість.

As you can see here,

Як ви бачите,

we've color-coded all the biomolecules brown.

ми пофарвбували сі біомолекули в коричневий колір.

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

Тому, що вони всі виглядають однаково.

Біомолекули складаються з однакових атомів,

Biomolecules are made out of the same atoms,

but just in different orders.

але в різному порядку.

So we need one last thing

Отже, нам потрібна остання річ

для того, щоб ми могли їх побачити.

in order to make them visible.

We have to bring in little tags,

Ми повинні прикріпити маленькі мітки

with glowing dyes that will distinguish them.

яскравого кольору, щоб їх можна було розрізнити.

So one kind of biomolecule might get a blue color.

Один вид біомолекул синього кольору,

інший – червоного,

Another kind of biomolecule might get a red color.

And so forth.

і так далі.

And that's the final step.

І це був останній крок.

Now we can look at something like a brain

Тепер ми можемо вивчати мозок

and look at the individual molecules,

і розглядати окремі молекули,

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

тому що ми їх розділили

that we can tell them apart.

для того, щоб розрізняти.

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

Ми надіємося, що невидиме стане видимим.

We can turn things that might seem small and obscure

Ми можемо збільшити малесенькі і незрозумілі речі,

and blow them up

і збільшивши,

until they're like constellations of information about life.

ми б змогли зібрати необхідну інформацію.

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

Ось докладне відео, як це може виглядати.

We have here a little brain in a dish --

Тут в нас маленький мозок в чашці,

a little piece of a brain, actually.

точніше, частина мозку.

We've infused the polymer in,

Ми помістили полімери всередину

and now we're adding water.

і тепер додаємо воду.

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

Те, що ви зараз побачите на власні очі,

this video is sped up about sixtyfold --

це відео, пришвидшене в 6 разів.

this little piece of brain tissue is going to grow.

Зараз ця маленька частина мозку почне збільшуватися в розмірі.

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

Вона може збільшитися в об’ємі в сто разів і навіть більше.

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

І найцікавіше те, що ці полімери настільки малі,

we're separating biomolecules evenly from each other.

і що біомолекули відділяються одна від одної рівномірно.

It's a smooth expansion.

Це плавне розширення.

We're not losing the configuration of the information.

ми не втрачаємо структуру інформації.

We're just making it easier to see.

Ми лише робимо так, щоб їх було легше роздивитися.

So now we can take actual brain circuitry --

Тепер видно точну схему мозку -

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

ось, наприклад, частина мозку, яка відповідає за пам’ять.

and we can zoom in.

Ми можемо приблизити її.

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

Можна подивитися, як налаштовані схеми.

Maybe someday we could read out a memory.

Можливо, колись ми зможемо прочитати нашу пам’ять.

Maybe we could actually look at how circuits are configured

Мабуть, ми могли б зрозуміти, як діють схеми

to process emotions,

при опрацюванні емоцій,

how the actual wiring of our brain is organized

як організована схема нашого мозку,

in order to make us who we are.

що робить нас тими, хто ми є.

And of course, we can pinpoint, hopefully,

а також ми надіємося, що зможемо визначити

the actual problems in the brain at a molecular level.

проблемні ділянки в мозку на молекулярному рівні.

What if we could actually look into cells in the brain

Якщо б ми змогли заглянути в клітини мозку

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

і вияснити, що, нічого собі, ці 17 молекул поміняли свій вигляд

in this brain tissue that has been undergoing epilepsy

в тканинах мозку, яка страждає від епілепсії

or changing in Parkinson's disease

або захворювання Паркінсона,

or otherwise being altered?

або ще чогось іншого.

Якщо ми отримаємо точний список відхилень,

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

то зможемо визначити, як їх лікувати.

those become our therapeutic targets.

We can build drugs that bind those.

Ми зможемо винайти ліки від цих захворювань

Мабуть, ми зможемо перенаправляти енергію в різні відділи мозку,

We can maybe aim energy at different parts of the brain

in order to help people with Parkinson's or epilepsy

щоб помогти людям з захворюванням Паркінсона, епілепсією

or other conditions that affect over a billion people

і іншими хворобами, понад мільярду людей

around the world.

по всьому світу.

Now, something interesting has been happening.

Зараз відбувається щось цікаве.

It turns out that throughout biomedicine,

Виявилося, що в біомедицині є й інші проблеми,

there are other problems that expansion might help with.

які можуть вирішитися за допомогою збільшення мозку.

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

Ось біопсія пацієнтки з раком молочної залози.

It turns out that if you look at cancers,

Якщо подивитися на клітини раку,

if you look at the immune system,

на імунну систему,

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

на процес старіння, на розвиток хвороби,

all these processes are involving large-scale biological systems.

видно, що у всі ці процеси залучені великі біологічні системи.

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

Звичайно, всі проблеми починаються з цих маленьких наномолекул,

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

механізмів, які змушують клітини і органи працювати.

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

Зараз ми намагаємось вияснити,

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

чи зможемо ми отримати схему будівельних блоків за допомогою цієї технології

в величезній різноманітності захворювань.

in a wide variety of diseases.

Can we actually pinpoint the molecular changes in a tumor

Чи зможемо ми визначити молекулярні зміни в пухлині

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

і відстежити те місце,

куди потрібно направити ліки, щоб знищити небезпечні для нас клітини?

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

Знаєте, медицина - це завжди ризик.

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

Sometimes, it's even guesswork.

Інколи, це навіть вибір навмання.

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

Ми надіємося, що зможемо перетворити ці ризиковані спроби

into something that's more reliable.

в щось дуже надійне.

If you think about the original moon shot,

Згадайте наш політ на Місяць,

where they actually landed on the moon,

який здійснився лише

it was based on solid science.

завдяки науці.

We understood gravity;

Ми вивчили гравітацію

we understood aerodynamics.

і аеродинаміку.

We knew how to build rockets.

Ми знаємо, як будувати ракети.

The science risk was under control.

Наукові ризики були під контролем.

It was still a great, great feat of engineering.

Це був величезний успіх в інженерії.

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

Але в медицині немає всіх цих законів.

Чи є у нас закони, аналогічні гравітації

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

that are analogous to aerodynamics?

та аеродинаміці?

I would argue that with technologies

Я вважаю, що за допомогою технології,

like the kinds I'm talking about today,

про яку я сьогодні говорив,

maybe we can actually derive those.

можливо, ми виведемо всі закони.

Ми можемо відзначити зразки, які зустрічаються в живих організмах

We can map the patterns that occur in living systems,

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

і вияснимо, як подолати захворювання, які нас так непокоять.

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

У нас з жінкою є двоє маленьких дітей,

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

і одна з моїх надій, як біоінженера, зробити їхнє життя кращим,

than it currently is for us.

ніж воно є зараз.

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

Я сподіваюся, що ми зможемо змінити біологію і медицину

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

і перетворити ці ризиковані спроби, які залежать від удачі,

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

в надійне лікування за допомогою навичок і наполегливої роботи,

then that would be a great advance.

і це буде великим прогресом.

Thank you very much.

Дякую за увагу.

(Applause)

(Оплески)