Бебешките пелени вдъхновиха този нов начин за изучаване на мозъка

Невроинженерът Ед Бойдън иска да узнае как миниатюрните биомолекули в мозъците ни създават емоции, мисли и чувства -- и иска да открие молекулните промени, които водят до увреждания като епилепсия или Алцхаймер. Вместо да увеличава тези невидими структури под микроскоп, той се замислил: Какво би станало, ако ги уголемим физически и ги направим по-лесни за виждане? Научете как полимерите, които карат бебешките пелени да набъбват, биха могли да бъдат ключът към по-доброто разбиране на мозъците ни.

Здравейте, всички.

Днес съм донесъл бебешка пелена.

След секунда ще видите защо.

Бебешките пелени имат интересни свойства.

Могат да набъбнат невероятно,
когато им сложите вода,

експеримент, провеждан
от милиони деца всеки ден.

(Смях)

Но причината за това е,

че те са проектирани по много умен начин.

Направени са от нещо,
наречено набъбващ материал.

Това е специален материал, който,
ако му добавите вода,

ще набъбне невероятно много,

може би хиляда пъти първоначалния обем.

И това е много полезен
индустриален вид полимер.

Това, което се опитваме да сторим
в групата ми в МИТ,

е да открием дали можем да
направим нещо подобно с мозъка.

Можем ли да го уголемим,

така че да погледнем вътре

и да видим малките тухлички,
биомолекулите,

как са организирани в три измерения,

каква е структурата,
основната истина на мозъка, един вид?

Ако можехме,

бихме имали по-добро разбиране за това
как е организиран мозъкът,

за да произведе мисли и емоции

и действия и усещания.

Може би бихме могли да се опитаме
да посочим точните промени в мозъка,

които водят до болести,

болести като Алцхаймер
и епилепсия и Паркинсон,

за които има много малко терапии,
още по-малко лечения,

и за които, много често,
не знаем причината или произхода

и какво наистина ги причинява.

Групата ни в МИТ

се опитва да възприеме
различна гледна точка

от стандартната неврология от
последните сто години.

Ние сме дизайнери. Изобретатели.

Опитваме се да разберем как
да създадем технологии,

които ни позволяват да виждаме
и поправяме мозъка.

И причината е,

че мозъкът е невероятно,
невероятно сложен.

През първото столетие на
неврологията научихме,

че мозъкът е много сложна мрежа

изградена от специализирани клетки,
наречени неврони,

с много комплексна геометрия,

и че електрически потоци протичат
между тези комплексно оформени неврони.

Освен това невроните са свързани в мрежи.

Те са свързани от малки възли,
наречени синапси, които обменят химикали

и позволяват на невроните
да разговарят.

Плътността на мозъка е невероятна.

В един кубичен милиметър мозък

има около 100 000 неврона

и може би един милиард връзки.

Но става и по-лошо.

Ако можехте да се фокусирате
върху един неврон,

и, разбира се, това е
интерпретацията на художника ни.

Бихте видели хиляди и хиляди
видове биомолекули,

малки наноскопични машини,
подредени в сложни, триизмерни модели,

и заедно те посредничат за
електрическите импулси,

за химичните обмени, които
позволяват на невроните да работят заедно

и да създават неща като мисли
и чувства и прочие.

Не знаем как
невроните в мозъка са организирани,

за да се създадат мрежи,

и не знаем как
биомолекулите са организирани

в невроните,

за да се създадат тези
сложни организирани машини.

Ако наистина искаме да го разберем,

ще ни трябват нови технологии.

Ако се сдобием с такива карти,

ако можем да погледнем организацията
на молекулите и невроните

и на невроните и мрежите,

може би бихме могли наистина да разберем
как мозъка провежда информация

от сетивните райони,

смесва я с емоции и чувства

и създава решенията и действията ни.

Може би бихме могли да посочим
точния комплект от молекулни промени,

в дадено мозъчно разстройство.

И щом разберем как
тези молекули са изменени,

дали броят им е нараснал или
подребата им се е променила,

бихме могли да ги използваме
като цели за нови лекарства,

нови начини за доставка на
енергия до мозъка,

за да бъдат възстановени
мозъчните изчисления, засегнати

у пациентите, които страдат от
мозъчни увреждания.

През последния век видяхме много
различни технологии,

опитващи се да се справят с това.

Мисля, че всички сме
виждали мозъчни сканирания

заснети с ЯМР машини.

Тяхното огромно предимство е,
че са неинвазивни,

могат да се прилагат върху живи хора.

Но те са с ниска пространствена резолюция.

Всяко петно, което виждате,
или воксел, както се наричат,

може да съдържа милиони
и милиони неврони.

Това не е разделителната способност,

която може точно да посочи
молекулните изменения

или измененията в свързването
на тези мрежи,

които допринасят за способността ни
да бъдем съзнателни и силни същества.

В другия край на спектъра
са микроскопите.

Микроскопите използват светлина,
за да разглеждат мънички неща.

В течение на векове са били използвани
за неща като бактериите.

В неврологията

самите неврони са били открити
с помощта на микроскоп

преди около 130 години.

Но светлината е фундаментално ограничена.

Не можете да видите единични молекули
с обикновен стар микроскоп.

Не можете да разгледате тези малки връзки.

Така че ако искаме да подобрим
способността си да виждаме мозъка,

да се спуснем до основната структура,

ще ни трябват още по-добри технологии.

Преди няколко години
групата ми се запита:

Защо не направим обратното?

Ако е толкова сложно да гледаме мозъка,

защо не го уголемим?

В началото започна

с двама докторанти в групата ми,
Фей Чен и Пол Тилбърг.

Сега много други хора в групата ми
помагат в този процес.

Решихме да опитаме да открием
дали можем да вземем полимери

като тези в бебешките пелени

и да ги инсталираме физически в мозъка.

Ако го направехме правилно
и добавехме вода,

бихме могли да надуем мозъка,

така че да различим малките
биомолекули една от друга.

Бихме могли да видим връзките
и да направим карти на мозъка.

Това би могло да бъде доста драматично.

Донесохме малка демонстрация.

Това е пречистен материал
от бебешки пелени.

Много по-лесно е
да си го купите в Интернет,

отколкото да извлечете няколкото зрънца
от самите пелени.

Слагам чаена лъжичка

от този пречистен полимер.

А това тук е вода.

Ще се опитаме да видим

дали тази чаена лъжичка
материал от бебешки пелени

може да увеличи размера си.

Ще видите как нараства
около хиляда пъти

пред очите ви.

Мога да налея много повече,

но мисля, че схванахте идеята,

че това е много, много интересна молекула,

и ако можем да я използваме правилно,

бихме могли наистина да увеличим мозъка

по начин, невъзможен за
миналите технологии.

Добре. А сега малко химия.

Какво се случва в полимера
от бебешките пелени?

Ако можехте да увеличите,

би било изглеждало като това,
което виждате на екрана.

Полимерите са вериги от атоми,
подредени в дълги, тънки редици.

Веригите са миниатюрни,

с ширината на биомолекула,

и тези полимери са наистина нагъсто.

Разделящите ги разстояния

са от порядъка на размера на биомолекула.

Това е много добре,

защото ни дава възможността да
раздвижим всичко в мозъка.

Ако добавим вода,

набъбващият материал ще я абсорбира,

полимерните вериги ще се разделечат
една от друга

и целият материал ще нарасне.

И понеже тези вериги са толкова малки

и са разположени на
биомолекулни разстояния,

бихме могли да надуем мозъка,

така че да го видим.

Ето я и загадката:

Как да построим тези
полимерни вериги вътре в мозъка,

така че да разделим всички биомолекули?

Ако можехме да го сторим,

може би щяхме да получим
точни карти на мозъка.

Щяхме да видим свързването.

Можем да погледнем
и да видим молекулите вътре.

За да обясним това,
направихме няколко анимации,

художнически интерпретации,
в които виждаме

как биха изглеждали биомолекулите
и как бихме могли да ги разделим.

Стъпка първа: това,
което трябва да направим,

е да закачим всяка биомолекула,
показани тук в кафяво,

за малка котва или дръжка.

Искаме да разделим молекулите
на мозъка една от друга

и за да го сторим,
ни трябва малка дръжка,

която позволява на
полимерите да се свържат

и да упражнят силата си.

Ако просто вземем полимера от пелените
и го стоварим върху мозъка,

ще си стои отгоре, очевидно.

Трябва да намерим начин
да правим полимерите вътре.

И тук сме големи късметлии.

Оказва се, че можем да вземем
градивните елементи,

наречени мономери,

и ако ги пуснем в мозъка

и после отключим химичните реакции,

можем да ги накараме да образуват
тези дълги вериги,

направо вътре в мозъчната тъкан.

Те ще си проправят път
около биомолекулите

и между биомолекулите,

образуващи тези сложни паяжини,

които ще ни позволят в крайна сметка
да разделим молекулите

една от друга.

И всеки път, когато наоколо
има една от тези малки дръжки,

полимерът ще се залови за нея,
и това е точно каквото ни трябва,

за да разделим молекулите една от друга.

И така, моментът на истината.

Трябва да третираме тази проба

с химикал, за да отпуснем молекулите,

и после, когато добавим водата,

набъбващият материал ще започне
да я абсорбира,

полимерните вериги ще се разделечат,

но сега биомолекулите ще тръгнат с тях.

Малко като да нарисуваме
картина върху балон

и после да го надуем,

картината е същата,

но частиците на мастилото
са се разделечили.

Точно това успяхме да направим сега,
но в три измерения.

Има един последен трик.

Както можете да видите,

оцветили сме всички
биомолекули в кафяво.

Това е, понеже те
изглеждат горе-долу еднакво.

Биомолекулите са изградени
от едни и същи атоми,

но в различен ред.

Трябва ни едно последно нещо,

за да ги направим видими.

Трябва да внесем малки етикети,

със светещи бои, които ще ги откроят.

Така един вид биомолекула
може да се оцвети в синьо.

Друг вид биомолекула
може да се оцвети в червено.

И така нататък.

И това е финалната крачка.

Сега можем да погледнем нещо като мозъка

и да разгледаме единични молекули,

понеже сме ги преместили
достатъчно далеч една от друга,

че да можем да ги различим.

Идеята тук е да направим
невидимото видимо.

Можем да вземем неща,
които изглеждат малки и неясни,

и да ги уголемим,

докато не се превърнат в съзвездия
от информация за живота.

Ето и видео, показващо
как това изглежда наистина.

Имаме малък мозък в чинийка --

всъщност малко парченце мозък.

Включили сме полимера

и сега добавяме вода.

Виждате с очите си как --

това видео е ускорено около 60 пъти --

това малко парченце мозъчна тъкан
започва да расте.

Може да увеличи обема си
сто или повече пъти.

И готината част е, че понеже
тези полимери са толкова малки,

разделяме биомолекулите равномерно.

Експанзията е гладка.

Няма да изгубим
конфигурацията на информацията.

Просто ще я направим по-лесна за виждане.

Сега можем да вземем
истински мозъчни връзки --

това тук е парче мозък,
участващо в, например, паметта --

и да ги уголемим.

Можем да започнем да гледаме как
са конфигурирани връзките.

Може би някой ден ще можем
да разчетем спомен.

Ще можем наистина да видим
как са конфигурирани връзките,

за да обработват емоции,

как връзките в мозъка са организирани,

за да ни направи тези, които сме.

И можем да посочим, надяваме се,

точните проблеми в мозъка на
молекулярно равнище.

Ако можехме наистина
да надзърнем в мозъчните клетки

и да видим, леле, ето ги 17-те
молекули, които са се изменили

в тази мозъчна тъкан с епилепсия

или се изменят в Паркинсон,

или се променят по друг начин?

Ако изготвим систематичен списък
на нещата, които не вървят,

те ще се превърнат в терапевтични цели.

Можем да създадем лекарства,
които се свързват с тях.

Може би ще насочваме енергия
към различни части на мозъка,

за да помогнем на хората
с Паркинсон или епилепсия

или други проблеми, които
афектират над един милиард души

по света.

Нещо интересно се случва в момента.

Оказва се, че в биомедицината

има други проблеми,
където експанзията може да помогне.

Това е биопсия на пациентка,
страдаща от рак на гърдата.

Оказва се, че ако разгледаме рака,

ако разгледаме имунната система,

остаряването, развитието --

всички тези процеси включват
мащабни биологични системи.

Но проблемите започват
с тези малки наноскопични молекули,

машините, които карат клетките и
органите в тялото ни да тиктакат.

Така че сега се опитваме да разберем

дали можем да използваме тази технология,
за да картографираме тухличките на живота

в широк набор от болести.

Можем ли точно да посочим
молекулярните промени в тумора,

така че да го атакуваме по
интелигентен начин

и да създадем лекарства, които да
унищожат точно клетките, които искаме?

Голяма част от медицината
е с много висок риск.

Понякога е дори налучкване.

Надеждата ми е да можем да превърнем
един високорисков полет до луната

в нещо по-сигурно.

Ако се замислите,
оригиналният полет до луната,

с все кацането на луната,

е бил базиран на солидна наука.

Разбирали сме гравитацията;

разбирали сме аеродинамиката.

Знаели сме как да строим ракети.

Научният риск е бил под контрол.

И въпреки това е бил голям, голям
инженерен подвиг.

Но в медицината все още
не разполагаме с всички закони.

Знаем ли всички закони,
аналогични на гравитацията

или на аеродинамиката?

Бих казал, че с технологиите,

като тази, за която говоря днес,

може би ще можем да ги изведем.

Можем да картографираме
моделите в живите системи

и да разберем как да превъзмогнем
болестите, които ни морят.

Знаете ли, с жена ми
имаме две малки деца

и една от надеждите ми като
биоинженер е да направя живота им по-добър

от нашия понастоящем.

Надеждата ми е да можем да превърнем
биологията и медицината

от тези високорискови начинания,
управлявани от шанс и късмет,

в неща, които извличаме чрез
умения и усърдна работа,

и това би бил страхотен напредък.

Благодаря Ви много.

(Ръкопляскане)