Hallo iedereen.
Ik heb een babyluier bij me.
Je ziet dadelijk waarom.
Luiers hebben interessante eigenschappen.
Ze kunnen enorm opzwellen als je er water aan toevoegt,
een experiment dat miljoenen kinderen elke dag weer uitvoeren.
(Gelach)
Ze zijn op een heel slimme manier ontworpen.
Ze bevatten 'opzwelbaar' materiaal.
Wanneer je er water aan toevoegt,
gaat het enorm zwellen,
het volume kan misschien wel verduizendvoudigen.
Dit is een zeer handig, industrieel soort polymeer.
Maar mijn groep aan het MIT
probeert erachter te komen of we dat ook met hersenen kunnen.
Kunnen we ze groter maken,
naar binnen gluren
en de bouwstenen, de biomoleculen, bekijken?
Hoe zijn ze georganiseerd in de drie dimensies?
Hoe is hun structuur, de basisstructuur van de hersenen, als je wil?
Als we dat voor elkaar kunnen krijgen,
gaan we beter weten hoe de hersenen zijn georganiseerd
om gedachten, emoties,
acties en sensaties op te leveren.
Misschien kunnen we de veranderingen in de hersenen lokaliseren
die leiden tot ziekten,
ziekten zoals Alzheimer, epilepsie en Parkinson,
waarvoor er weinig behandelingen en nog minder geneesmiddelen bestaan,
en waarvan we vaak niet eens de oorzaak of de oorsprong kennen
en wat ze echt veroorzaakt.
Onze groep aan het MIT
probeert er op een andere manier naar te kijken
dan de neurowetenschappen in de afgelopen honderd jaar.
Wij zijn ontwerpers, uitvinders.
We proberen technologieën te ontwerpen
die ons toelaten de hersenen te bekijken en te repareren.
Dat doen we omdat de hersenen ongelooflijk ingewikkeld zijn.
De eerste 100 jaar neurowetenschappen hebben ons geleerd
dat de hersenen een zeer ingewikkeld netwerk zijn
van zeer gespecialiseerde cellen, neuronen genoemd,
met zeer complexe geometrieën.
Er vloeien elektrische stromen door deze complex gevormde neuronen.
Bovendien zijn neuronen in netwerken verbonden
door kleine koppelingen, synapsen genaamd,
die de stoffen uitwisselen
waarmee de neuronen met elkaar praten.
De concentratie ervan in de hersenen is ongelooflijk.
In één kubieke millimeter van je hersenen
vind je ongeveer 100.000 neuronen
en misschien een miljard verbindingen.
Maar het is nog erger.
Als je zou kunnen inzoomen op een neuron
-- hier in een artistieke impressie --
zou je duizenden soorten biomoleculen zien,
kleine nanoschaal machines, georganiseerd in complexe 3D-patronen.
Samen zorgen ze voor de elektrische pulsen,
de chemische uitwisselingen waardoor neuronen samenwerken
om gedachten, gevoelens enzovoort te genereren.
We weten niet hoe de neuronen in de hersenen zijn georganiseerd,
hoe ze netwerken vormen,
of hoe de biomoleculen zijn georganiseerd
binnen de neuronen
om die complexe, georganiseerde machines te vormen.
Als we dit echt willen begrijpen,
hebben we nieuwe technologieën nodig.
Als we zulke plattegronden konden krijgen,
als we konden kijken naar de organisatie van de moleculen,
neuronen en netwerken,
zouden we misschien begrijpen hoe de hersenen informatie overbrengen
van zintuiglijke gebieden,
ze mengen met emotie en gevoel,
en onze beslissingen en acties genereren.
Misschien kunnen we dan de moleculaire veranderingen lokaliseren
die optreden bij een hersenaandoening.
Als we weten hoe die moleculen zijn veranderd,
of ze in aantal toenamen of in patroon wijzigden,
kunnen we ze gebruiken als doelen voor nieuwe medicijnen,
voor nieuwe manieren om energie aan de hersenen te leveren
die de breinwerking moeten repareren
bij patiënten met hersenaandoeningen.
We hebben in de afgelopen eeuw allerlei technologieën gezien
die hier iets aan probeerden te doen.
We kennen allemaal wel hersenscans door MRI-machines.
Belangrijk is natuurlijk dat die non-invasief zijn,
ze kunnen worden gebruikt op levende menselijke proefpersonen.
Maar ze zijn ook ruimtelijk niet precies.
Elk van deze vlekken, of 'voxels',
kan miljoenen neuronen bevatten.
Het is dus niet het niveau van resolutie
om moleculaire veranderingen te kunnen lokaliseren
of veranderingen in de bedrading van deze netwerken
die ervoor zorgen dat we bewuste en machtige wezens zijn.
Aan de andere zijde heb je microscopen.
Microscopen gebruiken licht om naar hele kleine dingen te kijken.
Eeuwenlang dienden ze om te kijken naar dingen als bacteriën.
Door microscopen hebben we zo'n 130 jaar geleden de neuronen ontdekt.
Maar licht is fundamenteel beperkt.
Je kunt geen individuele moleculen zien met een gewone oude microscoop.
Je kunt er deze kleine verbindingen niet mee zien.
Als we een betere manier willen om naar de hersenen te kijken,
om hun basisstructuur te zien,
hebben we betere technologieën nodig.
Een paar jaar geleden bedacht mijn groep
dat we net het omgekeerde moesten doen.
Als het zo moeilijk is om in te zoomen op de hersenen,
waarom de hersenen dan niet groter maken?
Het begon aanvankelijk
met twee studenten in mijn groep, Fei Chen en Paul Tillberg.
Nu helpen vele anderen in mijn groep met dit proces.
We besloten te proberen erachter te komen of we polymeren,
dat materiaal in babyluiers,
fysiek in de hersenen konden inbouwen.
Doen we dat goed en we voegen water toe,
zou je de hersenen kunnen laten opzwellen
zodat je die kleine biomoleculen van elkaar zou kunnen onderscheiden.
Je kon dan de verbindingen zien en hersenkaarten maken.
Dit zou heel dramatisch kunnen zijn.
Hier zie je een kleine demo.
We hebben hier wat gezuiverd babyluiermateriaal.
Je kan het makkelijker op het internet kopen
dan het uit de luiers halen.
Ik doe hier een theelepel
van het gezuiverde polymeer in.
En dan wat water.
We gaan bekijken
of deze theelepel luiermateriaal
in omvang kan toenemen.
Je ziet dat het volume ongeveer duizend keer groter wordt.
Ik kon er nog veel meer bij gieten,
maar je snapt het idee.
Dit is een zeer interessante molecule,
en als we ze op de juiste manier gebruiken,
kunnen we misschien inzoomen op de hersenen
op een manier die met de vroegere technologieën niet mogelijk was.
Oké. Nu een beetje chemie.
Wat gebeurt er in het luierpolymeer?
Als je kon inzoomen,
zou het er misschien als iets op het scherm uitzien.
Polymeren zijn ketens van atomen in lange, dunne lijnen gerangschikt.
Die ketens zijn erg klein,
de breedte van één biomolecuul,
en die polymeren zitten echt dicht op elkaar.
Ze liggen op ongeveer de grootte van een biomolecuul van elkaar.
Dit komt goed uit.
We kunnen daardoor bijna alles
in de hersenen uit elkaar kunnen halen.
Als we water toevoegen,
gaat dit zwelbaar materiaal water opnemen,
de polymeerketens gaan uit elkaar
en het gehele materiaal zal uitzetten.
Omdat deze ketens zo klein zijn
en op biomoleculaire afstanden van elkaar liggen,
zouden we de hersenen kunnen opblazen
en groot genoeg maken om ze te bekijken.
Hier is het vraagstuk:
hoe kunnen we deze polymeerketens in de hersenen aanmaken
om de biomoleculen uit elkaar te laten bewegen?
Als we dat zouden kunnen,
kunnen we hersenkaarten maken.
We zouden de bedrading zien,
naar binnen turen en de moleculen bekijken.
Met wat animaties leggen we dit uit.
We kijken aan de hand van artistieke impressies
hoe de biomoleculen eruit zien en hoe we ze kunnen scheiden.
Stap één: wat we in de eerste plaats zouden moeten doen,
is aan elk biomolecuul, hier getoond in het bruin,
een klein anker, een hendeltje, hechten.
We moeten de moleculen van de hersenen uit elkaar trekken.
Daarvoor moeten we een handvat hebben
waarmee die polymeren ze kunnen binden
en kracht uitoefenen.
Als je alleen maar polymeer zou nemen en het op de hersenen zou gooien,
zal het er natuurlijk bovenop blijven liggen.
We moeten de polymeren echt in de hersenen kunnen plaatsen.
En daar hebben we echt geluk.
Ja kan de bouwstenen of monomeren, zoals ze heten,
in de hersenen brengen
en de chemische reacties inleiden,
waardoor ze die lange ketens gaan vormen
in het hersenweefsel.
Ze winden zich rond de biomoleculen
en tussen de biomoleculen,
vormen complexe webben
waarmee je uiteindelijk de moleculen uit elkaar kan trekken.
Telkens als een van die kleine handvatten in de buurt is,
zal het polymeer zich eraan binden en dat is precies wat we nodig hebben
om de moleculen uit elkaar te trekken.
Oké, het moment van de waarheid.
We moeten dit exemplaar met een chemische stof behandelen
om de moleculen wat uit elkaar te halen.
Als we dan water toevoegen,
gaat dat zwelbaar materiaal het water absorberen,
de polymeerketens gaan uit elkaar,
maar nu gaan de biomoleculen meebewegen.
Net alsof je een tekening maakt op een ballon
en dan de ballon opblaast,
blijft het beeld hetzelfde,
maar bewegen de inktdeeltjes uit elkaar.
Dat konden we nu doen, maar in drie dimensies.
Er is nog een laatste truc.
Je kunt zien dat de biomoleculen bruin zijn weergegeven.
Dat komt omdat ze er allemaal hetzelfde uitzien.
Biomoleculen zijn gemaakt van dezelfde atomen,
alleen wel anders verbonden.
Daarom nog een laatste ding
om ze zichtbaar te maken.
We brengen kleine markeringen aan
met oplichtende kleurstoffen die hen onderscheiden.
Zo krijgt de ene soort biomolecuul een blauwe kleur
en een andere soort een rode.
Enzovoorts.
Dat is de laatste stap.
Nu kunnen we naar iets als een brein kijken
en de individuele moleculen zien,
omdat we ze ver genoeg uit elkaar hebben gehaald
om ze te kunnen onderscheiden.
We hopen zo het onzichtbare zichtbaar te maken.
We kunnen dingen die klein en obscuur lijken,
opblazen tot constellaties van informatie over het leven.
Deze video toont hoe het eruit zou kunnen zien.
We hebben hier een beetje hersenen in een schotel --
een klein stukje.
We hebben het polymeer erin gevormd
en voegen water toe.
Je ziet dat --
deze video is 60 maal versneld --
dit kleine stukje hersenweefsel is gaan groeien.
Het volume kan meer dan honderdmaal groter worden.
Het leuke is dat deze polymeren zo klein zijn,
dat we de biomoleculen gelijkmatig van elkaar scheiden.
Het is een gelijkmatige uitzetting.
De configuratie van de informatie gaat niet verloren.
We maken ze gewoon makkelijker te zien.
Nu kunnen we hersenencircuits nemen --
hier zoomen we in op een stukje brein dat zich bezig houdt met geheugen.
We kunnen nu kijken naar hoe circuits zijn geconfigureerd.
Misschien kunnen we ooit een herinnering uitlezen.
Of kijken hoe circuits zijn geconfigureerd
om emoties te verwerken,
hoe de werkelijke bedrading van onze hersenen is georganiseerd
om ons maken tot wie we zijn.
En hopelijk kunnen we de werkelijke problemen in de hersenen
ooit lokaliseren op moleculair niveau.
Wat als we in de cellen van de hersenen konden kijken
en vaststellen dat er, wow, 17 moleculen zijn veranderd
bij hersenweefsel van iemand met epilepsie
of met de ziekte van Parkinson
of op enige andere wijze?
Als we een systematische lijst van fouten kunnen aanleggen,
worden dat onze therapeutische doelen.
Nieuwe geneesmiddelen kunnen zich eraan binden.
Of energie richten op delen van de hersenen
om mensen met Parkinson of epilepsie te helpen,
of voor andere ziektes waar meer dan een miljard mensen
over heel de wereld aan lijden.
Nu is er iets interessants gebeurd.
Het blijkt dat er in de gehele medische biologie
nog andere problemen zijn waar dat opzwellen kan helpen.
Dit is een biopsie van een menselijke borstkankerpatiënt.
Kanker,
het immuunsysteem,
het verouderen, de ontwikkeling --
al deze processen hebben te maken met grootschalige biologische systemen.
Maar de problemen beginnen natuurlijk op nanoschaal, bij die kleine moleculen,
de machines die de cellen en organen in het lichaam doen tikken.
We zouden deze technologie willen gebruiken
om de bouwstenen van het leven in kaart te brengen
voor een groot aantal ziekten.
Als we de moleculaire veranderingen in een tumor kennen,
kunnen we hem wellicht op een slimme manier aanpakken
en geneesmiddelen leveren die de juiste cellen vernietigen.
Je weet dat veel geneeskunde een zeer hoog risico inhoudt.
Soms is het zelfs giswerk.
Mijn hoop is dat we van een sprong in het duister met een hoog risico,
iets kunnen maken dat betrouwbaarder is.
De eerste echte sprong in het duister,
toen ze landden op de maan,
was gebaseerd op solide wetenschap.
We begrepen de zwaartekracht,
de aerodynamica.
We wisten hoe raketten te bouwen.
Het wetenschappelijk risico was onder controle.
Toch was het een geweldig staaltje techniek.
Maar in de geneeskunde kennen we alle wetten niet.
Kennen we alle wetten analoog aan de zwaartekracht
of aan de aerodynamica?
Met de technologieën
waarover ik het vandaag heb,
gaan we ze misschien vinden.
We kunnen de patronen in levende systemen in kaart brengen
om de ziekten die ons teisteren te kunnen overwinnen.
Mijn vrouw en ik hebben twee kinderen
en ik hoop als bio-ingenieur om hun leven beter te maken
dan het nu is voor ons.
Als we de biologie en de geneeskunde kunnen veranderen
van hoog-risico ondernemingen die worden geregeerd door toeval en geluk,
tot dingen die we kunnen winnen door vaardigheid en hard werken,
dan zou dat een grote stap vooruit zijn.
Veel dank.
(Applaus)