Ed Boyden: Włącznik światła dla neuronów

Ed Boyden opowiada, jak poprzez wstawianie do komórek mózgu genów białek światłoczułych można selektywnie pobudzać lub deaktywować określone neurony przy pomocy światłowodowych implantów. Dzięki tak wysokiemu, niespotykanemu dotąd poziomowi kontroli udało mu się wyleczyć laboratoryjne myszy z ze stanu podobnego do zespołu stresu pourazowego oraz niektórych rodzajów ślepoty. Na horyzoncie pojawia się neuroprotetyka. Gospodarz sesji, Juan Enriquez zadaje na koniec kilka pytań.

Pomyśl chwilę o swoim dniu.

Obudziłeś się, owiał cię wietrzyk przy wyjściu na dwór,

poznałeś nowych ludzi, prowadziłeś ciekawe dyskusje,

byłeś zachwycony, gdy przeżyłeś coś nowego.

Ale założę się, że jest coś, o czym nie myślałeś,

coś tak ci bliskiego,

że pewnie w ogóle rzadko o tym myślisz.

Wszystkie odczucia, przeżycia,

decyzje i działania

są podejmowane przez komputer w twojej głowie

zwany mózgiem.

Może z zewnątrz nie wygląda on jak komputer --

kilka kilo szaro-różowego mięsa,

bezkształtnego,

ale ostatnie sto lat neurobiologii

przybliżyło nam mózg tak,

że zobaczyliśmy zawiłość jego wnętrza.

Dowiedzieliśmy się, że mózg jest niezwykle skomplikowanym układem,

Dowiedzieliśmy się, że mózg jest niezwykle skomplikowanym układem,

złożonym z setek milionów komórek zwanych neuronami.

W przeciwieństwie do komputerów zbudowanych przez człowieka,

w których nie ma zbyt wielu różnych części,

rozumiemy jak działają, bo sami je projektowaliśmy,

mózg składa się z tysięcy różnych rodzajów komórek,

może dziesiątek tysięcy.

Mają różne kształty, inny budulec;

łączą różne części mózgu.

Różnie zmieniają się też w różnych stadiach chorób.

Do rzeczy.

Jest rodzaj komórek,

dość niewielkich, które uciszają swoich sąsiadów.

To jedna z tych komórek, które zanikają przy schizofrenii.

Nazywana jest komórką koszykową.

To jeden z tysięcy rodzajów komórek,

które poznajemy.

Codzienne okrywa się nowe.

Drugi przykład:

te duże komórki w kształcie piramidy

rozciągają się w znacznej części mózgu.

Można je pobudzać.

M.in. to one są nadaktywne

przy schorzeniach takich jak epilepsja.

Każda z nich

to niezwykłe urządzenie elektryczne.

Dostają sygnały od tysięcy komórek-nadawców

i obliczają swoje własne sygnały,

które, jeśli przekroczą pewien próg,

zostaną przesłane do tysięcy komórek-odbiorców.

Cały ten proces trwa może milisekundę,

wydarza się tysiące razy na minutę

w każdej ze 100 miliardów komórek,

dopóki żyjesz, myślisz i czujesz.

dopóki żyjesz, myślisz i czujesz.

Jak możemy zrozumieć działanie tego układu?

W teorii, można by w każdej części

włączać i wyłączać różne rodzaje komórek

próbując zrozumieć,

które zawiadują konkretnymi funkcjami,

a które degenerują się w patologiach.

Mogąc uaktywniać komórki, zobaczylibyśmy jakie spełniają funkcje,

co mogą uruchomić i podtrzymać.

Mogąc je wyłączać

zrozumielibyśmy do czego służą.

O tym zamierzam dziś opowiedzieć.

Szczerze mówiąc przez ostatnie 11 lat

szukaliśmy sposobów

na włączanie i wyłączanie

układów, komórek, części i ścieżek w mózgu

zarówno aby zrozumieć naukę,

jak i zmierzyć się z problemami

przed którymi stają wszyscy ludzie.

Zanim opowiem o technologii, mam złą wiadomość.

Większość z nas na sali,

jeżeli pożyjemy dostatecznie długo,

czeka pewnie zaburzenie pracy mózgu.

Już teraz miliard ludzi

cierpi na jakieś zaburzenia mózgowe,

które ich ubezwłasnowolniają.

Liczby nie oddają w pełni sytuacji.

Te choroby: schizofrenia, Alzeimer,

depresja, uzależnienia,

nie tylko skracaja życie, ale także nas zmieniają;

zabierają nam tożsamość i wpływają na emocje,

stajemy się innymi ludźmi.

W XX wieku

nabraliśmy nadziei

dzięki rozwojowi leków na schorzenia mózgu

Chociaż powstało wiele leków

łagodzących symptomy zaburzeń,

praktycznie żaden nie potrafi ich całkowicie wyleczyć.

Częściowo dlatego, że kąpiemy mózg w chemikaliach.

Ten wyszukany układ,

złożony z tysięcy różnego rodzaju komórek

nurza się w chemii.

Dlatego większość, jeżeli nie wszystkie leki na rynku

powoduja zwykle silne efekty uboczne.

Część ludzi doznała ulgi

dzięki elektrycznym stymulatorom wszczepionym do mózgu.

W chorobie Parkinsona

implanty ślimakowe

rzeczywiście były w stanie

przynieść poprawę

ludziom z pewnymi schorzeniami.

Jednak prąd płynie w wielu kierunkach,

po linii najmniejszego oporu,

skąd właśnie pochodzi to powiedzenie.

Działa i na zdrowe i na uszkodzone części, wymagające naprawy.

Znowu wracamy do koncepcji

ultra-precyzyjnego sterowania.

Czy można wysłać informację dokładnie tam, gdzie chcemy ?

Zanim 11 lat temu zająłem się neurobiologią,

studiowałem elektronikę i fizykę.

Od razu przyszło mi do głowy,

że skoro neurony są sterowane elektrycznie,

trzeba jedynie znaleźć sposób

na generowanie sygnałów elektrycznych na odległość.

Gdyby udało się pobudzić prąd pojedyńczej komórki

bez pobudzania sąsiednich,

otrzymamy narzędzie do włączania i wyłączania każdej z nich,

i zrozumienia, jak działają

i jak wpływają na swoje układy.

Dałoby to nam ultra-precyzyjną kontrolę,

potrzebną do naprawy fragmentów, które szwankują.

potrzebną do naprawy fragmentów, które szwankują.

Jak tego dokonamy?

W przyrodzie jest wiele cząsteczek,

które potrafią zamieniać światło na prąd.

Można je sobie wyobrazić jako białka

działające jak baterie słoneczne.

Gdyby jakoś zainstalować te cząsteczki w neuronach,

moglibyśmy pobudzać neurony światłem.

Sąsiednie komórki, bez cząsteczki, nie reagowałyby.

Trzeba się posłużyć pewną sztuczką.

Mianowicie dostarczyć światło do mózgu.

Mózg nie czuje bólu. Korzystając z rozwiązań

Mózg nie czuje bólu. Korzystając z rozwiązań

stosowanych w internecie, telekomunikacji itp.

można użyć światłowodów połączonych z laserami,

dzięki którym można pobudzać neurony np. u zwierząt

w badaniach przedklinicznych,

i obserwować ich zachowania.

Jak to robimy?

Około 2004 r.

we współpracy z Gerhardem Nagelem i Karlem Deisserothem,

zaczęliśmy realizację tej wizji.

Istnieje pewien gatunek dzikich alg,

które poruszają się w stronę światła,

aby zoptymalizować fotosyntezę.

Odbierają one światło małą plamką oczną,

która działa nieco inaczej niż nasze oczy.

W jej zewnętrznej błonie

znajdują się białka,

które potrafią zamienić światło na prąd.

Te cząsteczki to rodopsyny kanałowe.

Każde z tych białek działa jak ogniwo słoneczne.

Gdy pada na nie niebieskie światło, otwiera niewielki otwór

i wpuszcza naładowane cząsteczki do plamki ocznej.

Dzięki temu plamka oczna ma swój sygnał elektryczny,

zupełnie jak ogniwo słoneczne ładujące baterię.

Potrzebujemy teraz wziąć te białka

i zainstalować je jakoś w neuronach.

Ponieważ są to białka,

są zakodowane w DNA organizmu.

Musimy tylko wyciąć to DNA,

wstawić je do nośnika terapii genowej, np. wirusa,

i wysłać go do neuronów.

Był to bardzo twórczy okres w terapiach genowych

i pojawiało się mnóstwo wirusów.

Zadanie okazało się proste.

Pewnego ranka w lecie 2004 roku,

spróbowaliśmy i zadziałało za pierwszym razem.

Pobraliśmy DNA i wstawiliśmy je do neuronu.

Neuron użył własnej maszynerii

do produkcji światłoczułych białek

i rozmieszczenia ich po całej komórce,

tak jak rozmieszcza się panele słoneczne na dachu.

Otrzymaliśmy zatem neuron uruchamiany światłem.

Otrzymaliśmy zatem neuron uruchamiany światłem.

To potężne narzędzie.

Trzeba teraz wykombinować

jak dostarczyć te geny tylko do wybranej komórki,

a nie do sąsiednich.

Można zaprogramować wirusa,

żeby atakował tylko niektóre komórki.

Można wykorzystać jeszcze inne genetyczne triki,

żeby otrzymać komórki pobudzane światłem.

Ta dziedzina nazywa się teraz "optogenetyka".

To tylko niektóre przykłady możliwości.

W skomplikowanej sieci

można użyć wirusa do dostarczenia genu

do wybranego typu komórki w gęstej sieci.

Gdy oświetlimy całą sieć,

tylko jeden rodzaj komórek zareaguje.

Weźmy np. komórkę koszykową, o której mówiłem,

która zanika przy schizofrenii

i działa hamująco.

Jeśli dostarczymy gen do tych komórek,

o ile oczywiście sam gen nie zakłóci ich działania,

i oświetlimy cały mózg niebieskim światłem,

tylko te komórki zostaną pobudzone.

Gdy światło zgaśnie, komórki wracają do normalnego stanu,

więc wydaje się, że im to nie przeszkadza.

Można nie tylko badać ich działanie,

ich wpływ na funkcjonowanie mózgu,

ale również sprawdzić,

czy dałoby się "podkręcić" ich aktywność,

przy faktycznym zanikaniu.

Chciałbym opowiedzieć wam parę historii

o użyciu tej techniki,

zarówno pod kątem naukowym, leczniczym jak i zapobiegawczym

M.in. chcieliśmy wiedzieć,

które sygnały mózgowe uczestniczą w układzie nagrody.

Gdybyśmy je znaleźli,

można by z ich pomocą nakłaniać do nauki.

Mózg zrobi wszystko, aby zdobyć nagrodę.

Wypaczenia tych sygnałów towarzyszą m.in. uzależnieniom.

Gdybyśmy zlokalizowali te komórki,

być może udałoby się znaleźć nowe cele,

na które powinny oddziaływać nowe leki,

albo miejsca, w których trzeba umieścić elektrody

u poważnie chorych ludzi.

W tym celu wymyśliliśmy prosty eksperyment

we współpracy z grupą Fiorella.

Podchodząc do jednej strony pudełka

zwierzę wywoła impuls światła,

które uwrażliwia na światło różne komórki mózgowe.

Jeżeli te komórki pobudzają układ nagrody,

zwierzę powinno podchodzić bez przerwy.

I tak się właśnie dzieje.

Zwierzę podchodzi z prawej strony i wsadza nos.

Dostaje za każdym razem impuls niebieskiego światła.

Będzie to robiło tysiące razy.

To neurony dopaminy,

w ośrodkach przyjemności mózgu.

Pokazaliśmy, że ich pobudzenie

potrafi nakłonić do nauki.

Możemy uogólnić ten pomysł.

Zamiast jednego punktu w mózgu,

możemy stworzyć urządzenia obejmujące cały mózg,

dostarczające światło wg. trójwymiarowych wzorów,

wiązki światłowodów,

każdy zasilany niezależnym źródłem światła.

Spróbujemy zrobić na żywo to,

co dotąd przeprowadzano tylko w próbówce:

szerokopasmowe obrazowanie całego mózgu

dla sygnałów umożliwiających jego sterowanie.

Można by z nich korzystać

w leczeniu schorzeń mózgu.

Chcę wam opowiedzieć

w jaki sposób leczymy zespół stresu pourazowego,

niekontrolowane lęki i strach.

M.in. przyjęliśmy klasyczny model strachu.

M.in. przyjęliśmy klasyczny model strachu.

Sięga czasów Pawłowa.

W tzw. pawłowowskim warunkowaniu lęku

dźwięk kończy się krótkim wstrząsem.

Wstrząs nie jest bolesny, ale dość irytujący.

Z czasem mysz, którą się posłużyliśmy,

bo zwykle używa się myszy w takich eksperymentach,

mysz uczy się bać tego dźwięku.

Na ten dźwięk zastyga,

jak jeleń w świetle reflektorów.

Zapytaliśmy: które miejsca w mózgu

pomogłyby opanować ten strach?

Puszczamy więc dźwięk ponownie,

po tym jak został skojarzony ze strachem.

Ale pobudzamy w mózgu inne miejsca,

używając światłowodów, o których wcześniej mówiłem,

aby sprawdzić, które rejony spowodują,

że mózg przezwycięży wspomnienie strachu.

Ten krótki film pokazuje jeden z rejonów,

nad którymi pracujemy.

To okolica kory przedczołowej,

gdzie świadomie próbujemy opanować negatywne stany emocjonalne.

Zwierzę usłyszy dźwięk -- pojawia się tu błysk światła.

Nie słychać dźwięku, ale widzicie, że zwierzę zastyga.

Ten dźwięk oznaczał coś złego.

W dolnym lewym rogu jest zegar,

można zobaczyć, że mysz tkwi w tym stanie przez 2 minuty.

A tu drugi klip,

8 minut później.

Zabrzmi ten sam dźwięk, a światło znowu się zaświeci.

Zaczyna się. Teraz.

W 10-minutowym eksperymencie,

nauczyliśmy mózg przez pobudzanie światłem tej części,

aby przezwyciężał wspomnienia strachu.

aby przezwyciężał wspomnienia strachu.

W ostatnich latach wróciliśmy do drzewa życia,

chcąc znaleźć sposoby na wyłączanie obwodów mózgu.

Gdybyśmy je znaleźli, byłoby to potężne narzędzie.

Deaktywując komórki na kilka milisekund lub sekund,

można by się dowiedzieć, jaką grają rolę

w sieciach, do których należą.

Zlustrowaliśmy organizmy z całego drzewa życia,

każde królestwo życia, poza zwierzętami, wygląda inaczej.

Znaleźliśmy różne cząsteczki, jak halorodopsyna lub archeorodopsyna,

które reagują na zielone i żółte światło.

Zachowują się odwrotnie od cząsteczek, o których już mówiłem,

zawierających aktywator niebieskiego światła, rodopsynę kanałową.

Podam przykład, do czego naszym zdaniem zmierzamy.

Rozważmy np. epilepsję,

w której mózg jest nadaktywny.

Jeżeli zawiodą leki,

czasem usuwa się częśc mózgu.

To oczywiście nieodwracalne i powoduje efekty uboczne.

Może moglibyśmy wyłączyć na chwilę tę część,

dopóki atak nie przejdzie,

i skłonić mózg do powrotu do stanu początkowego,

tak, jak układ dynamiczny, który zostaje ustabilizowany.

Animacja tłumaczy tą koncepcję,

gdzie na komórki, które można wyłączyć światłem,

puszczamy promień światła,

na tyle ile potrzeba, by stłumić atak,

w nadziei, że uda się go całkiem wyłączyć.

Nie mamy danych, które mógłbym tu przedstawić,

ale bardzo nas to ekscytuje.

Chciałbym zakończyć historią o kolejnej możliwości.

Chciałbym zakończyć historią o kolejnej możliwości.

Przy ultra-precyzyjnym sterowaniu

te cząsteczki można by zastosować w samym mózgu

do nowego rodzaju protetyki, protetyki optycznej.

Mówiłem już, że rozpowszechniły się stymulatory elektryczne.

75 tys. chorych na Parkinsona ma wszczepione rozruszniki DBS.

Jakieś 100 tys. ludzi ma implanty ślimakowe,

umożliwiające słyszenie.

Pozostaje kwestia dostarczenia tych genów do komórek.

W terapii genowej pojawiła się nowa nadzieja:

wirusy takie jak adenowirusy,

które prawdopodobnie ma większość z nas na sali,

a nie powodują żadnych objawów,

były stosowane na setkach pacjentów

do dostarczania genów do mózgu lub ciała.

Jak dotąd nie spotkano poważnych skutków ubocznych

związanych z tym wirusem.

Oczywistym, choć ignorowanym elementem są same białka,

zapoczątkowane przez algi, bakterie i grzyby,

i odnajdywane we wszystkich gatunkach.

Większość z nas nie ma w mózgu grzybów i alg,

jak więc zareagowałby na nie mózg?

Czy komórki będą je tolerować? Czy zareaguje system odpornościowy?

Chociaż jeszcze nie na ludziach,

ale pracujemy nad różnymi badaniami,

które mają to sprawdzić.

Na razie nie widzieliśmy żadnych wyraźnych reakcji

na te cząsteczki

lub na oświetlanie mózgu światłem.

To początki, ale nas bardzo intrygują.

Na koniec powiem o czymś,

co można by potencjalnie zastosować w leczeniu klinicznym.

co można by potencjalnie zastosować w leczeniu klinicznym.

Istnieje wiele rodzajów ślepoty,

w których fotoreceptory,

nasze fotodetektory na dnie oka, zanikają.

Siatkówka ma oczywiście skomplikowaną strukturę.

Przybliżmy tu, żeby zobaczyć szczegóły.

Komórki fotoreceptorów są pokazane na górze.

Sygnały odebrane przez fotoreceptory

zostają odpowiednio przetworzone,

aż w końcu docierają na dól, do komórek przedzwojowych,

przekazujących informację do mózgu,

gdzie odbieramy ją jako widzenie.

W wielu rodzajach ślepoty, np. retinopatii barwnikowej,

lub zwyrodnieniu plamki żółtej,

komórki fotoreceptorów zanikają lub są zniszczone.

Jak możemy to naprawić?

Nie jest w ogóle pewne, czy leki potrafiłyby je przywrócić,

bo nie ma tu nic, co mogłoby się zagoić.

Z drugiej strony, światło wciąż dostaje się do oka.

Oko jest wciąż przezroczyste i przepuszcza światło.

Gdybyśmy tak wzięli rodopsyny kanałowe i inne cząsteczki,

zainstalowali je na niektórych zapasowych komórkach

i zamienili je na małe kamery?

Ponieważ w oku jest tak wiele komórek

potencjalnie mogłyby to być kamery o wysokiej rozdzielczości.

To jest część naszej pracy.

Prowadzi je jeden z naszych współpracowników,

Alan Horsager z Uniwersytetu Kalifornii.

zaś firma Eos Neuroscience próbuje je skomercjalizować

dzięki funduszom Narodowego Instytutu Zdrowia.

Widzicie tu mysz próbującą przejść przez labirynt.

To labirynt sześcioramienny. Jest w nim trochę wody,

żeby nakłonić mysz do ruchu, inaczej siedziałaby w miejscu.

Celem jest oczywiście wyjście z wody na małą platformę,

Celem jest oczywiście wyjście z wody na małą platformę,

tuż pod powierzchnią oświetlonej górnej zatoczki.

Myszy są sprytne, więc w końcu jej się udaje,

ale robi to metodą siłową.

Przepływa każdą alejkę póki nie dotrze do plaftormy.

Nie wykorzystuje więc wzroku.

Te myszy należą do różnych mutacji,

odpowiadających rodzajom ślepoty dotykającej ludzi.

Przyglądaliśmy się tym modelom uważnie

i wypracowaliśmy ogólne podejście.

Jak chcemy to rozwiązać?

Zrobimy właśnie to, co pokazaliśmy na poprzednim slajdzie.

Weźmiemy niebieskoczułe fotosensory,

mieścimy je na warstwie komórek,

w środku siatkówki na dnie oka

i zrobimy z nich kamerę.

To jakby instalować na neuronach panele słoneczne,

aby uwrażliwić je na światło.

Światło jest zamieniane na prąd.

Ta mysz była ślepa kilka tygodni przed eksperymentem

i otrzymała dawkę fotoczułych cząstek w wirusie.

Widać teraz, że zwierzę rzeczywiście potrafi unikać ścianek

i dociera do platformy,

znowu świadomie używając wzroku.

Podkreślę siłę tego sposobu:

te zwierzęta są w stanie dotrzeć do platformy

równie szybko jak te, które widziały przez całe życie.

Te przedkliniczne badania,

wróżą przyszłość metodom,

które chcielibyśmy stosować w przyszłości.

Chcę zaznaczyć, że badamy również modele biznesowe

dla tego nowego działu neurotechnologii.

Tworzymy te narzędzia,

ale dzielimy się nimi z setkami grup na całym świecie,

aby umożliwić badania i leczenie różnych schorzeń.

Mamy nadzieję, że poprzez zrozumienie działania mózgu

na poziomie który pozwoli nam na jego naprawę i konstrukcję,

zajmiemy się nieuleczalnymi chorobami, o których wcześniej mówiłem,

z których żadna nie została dotąd pokonana,

zaś w XXI wieku staną się tylko historią.

Dziękuję.

(Oklaski)

Juan Enriquez: Temat jest trochę ciężkawy.

(Śmiech)

Ale skutki

możliwości kontrolowania napadów epilepsji

poprzez światło, zamiast leków,

i możliwości precyzyjnego wybierania celu

to pierwszy krok.

Druga rzecz, którą tu usłyszałem,

że można kontrolować mózg dwoma kolorami.

Jak przełącznikiem włącz/wyłącz.

Ed Boyden: To prawda.

JE: Czyli impulsy dochodzące do mózgu są zakodowanie binarnie.

EB: Zgadza się.

Używając niebieskiego światła możemy wysyłać informację, jedynkę.

Wyłączając je dostajemy coś w rodzaju zera.

Mamy nadzieję zbudować kiedyś koprocesory.

działające z mózgiem,

do wspomagania czynności osób niepełnosprawnych.

JE: Teoretycznie znaczy to,

że to, jak mysz czuje, wącha,

słyszy, dotyka,

można wymodelować jako ciąg zer i jedynek.

EB: Jasne. Chcemy w ten sposób testować,

które kody nerwowe powodują dane zachowania,

pewne myśli i uczucia,

i wykorzystać to do lepszego zrozumienia mózgu.

JE: Czy to znaczy, że pewnego dnia będziecie mogli pobrać wspomnienia

albo wgrać je do mózgu ?

EB: Zaczynamy ciężką pracę nad czymś takim.

Pracujemy teraz na projektem,

w którym chcemy obłożyć mózg urządzeniami nagrywającymi.

Aby można było nagrać informację i wgrać ją ponownie,

takie przeliczania potrzeb mózgu,

żeby usprawnić przetwarzanie w nim informacji

JE: To może zmienić parę rzeczy. Dziękuję (EB: Dziękuję)

(Oklaski)