Studium neviditelných tajemství mozku

Neurovědec Ed Boyden chce vědět, jak malinkaté biomolekuly v našem mozku vytvářejí emoce, myšlenky a pocity - a chce objevit molekulární změny, které vedou k nemocem jako je epilepsie a Alzheimer.
Místo zvětšování těchto neviditelných struktur pomocí mikroskopu se snaží zvětšit je fyzicky.
Podívejte se, jak polymery využívané v dětských plenkách mohou být klíčem k lepšímu pochopení našich mozků.

Zdravím všechny.

Dnes jsem s sebou přinesl dětskou plenku.

Za chvilku uvidíte proč.

Dětské pleny mají zajímavé vlastnosti.

Když do nich přidáte vodu,
ohromně nabobtnají,

což dokazují miliony dětí každý den.

(smích)

Důvodem je chytrý způsob,

jakým jsou navrženy.

Jsou vyrobeny z takzvaného
bobtnavého materiálu.

Jde o speciální látku,

která po přidání vody
zvětší svůj objem

a to až tisíckrát.

Je to velmi užitečný
průmyslový druh polymeru.

V mé skupině na MIT se snažíme zjistit,

jestli můžeme něco podobného
provést s mozkem.

Můžeme ho zvětšit?

Dostatečně na to,
abychom nakoukli dovnitř

a viděli všechny stavební jednotky,
biomolekuly,

jak jsou uspořádány ve třech dimenzích;

tu nejhlubší stukturu mozku?

Kdyby se nám to povedlo,

mohli bychom lépe pochopit,
jak je mozek uspořádán,

aby vytvářel myšlenky a emoce,

akce a pocity.

Mohli bychom určit
přesné změny v mozku,

které způsobují nemoci,

nemoci jako je Alzheimer,
epilepsie a Parkinson,

které zatím neumíme léčit,
natož vyléčit,

a o nichž často ani nevíme,

co je způsobuje.

Naše skupina na MIT

se snaží podívat na problém z jiného úhlu,

odlišného od zavedených postupů neurovědy.

Jsme návrháři. Jsme vynálezci.

Snažíme se vyvinout technologie,

které nám umožní podívat se na mozek
a opravit jej.

A to proto,

že je mozek neuvěřitelně komplikovaný.

Jak jsme zjistili
v prvním století neurovědy,

mozek je velmi komplikovaná síť

sestavená ze specializovaných buněk
zvaných neurony,

které mají komplexní geometrii

a skrz které protéká elektrický proud.

Mimoto, neurony jsou spojeny do sítí.

A to pomocí malých spojek
zvaných synapse, které si vyměňují látky,

a tak umožňují neuronům
mezi sebou komunikovat.

Hustota mozku je neuvěřitelná.

V jednom milimetru krychlovém vašeho mozku

se nachází cca 100 000 těchto neuronů

a možná až miliarda oněch spojení.

Ale je to horší.

Pokud si přiblížíme neuron

- toto je jen umělecká interpretace -

uvidíme tisíce a tisíce druhů biomolekul,

malých nanostrojů,
uspořádaných do komplexních 3D vzorů,

které společně
zprostředkovávají elektrické impulzy,

ty látkové výměny, které umožňují
neuronům pracovat společně,

vytvářet myšlenky, pocity a tak dále.

Nevíme, jak jsou neurony
v mozku uspořádány,

jak vytváří sítě

a nevíme, jak jsou uspořádány biomolekuly

uvnitř neuronů,

aby tvořily komplexní stroje.

Pokud tomu chceme opravdu porozumět,

budeme potřebovat nové technologie.

Pokud bychom získali takovéto mapy

a mohli se podívat
na uspořádání molekul a neuronů

a neuronů a sítí,

možná bychom mohli pochopit,

jak mozek zachází s informacemi
ze senzorických oblastí,

míchá je s emocemi a pocity

a vytváří naše rozhodnutí a činy.

Možná bychom mohli určit
přesné molekulární změny,

které se objevují při mozkové poruše.

A když budeme vědět,
jak se molekuly změnily,

jestli se zvětšil jejich počet
nebo konfigurace,

můžeme je použít jako cíle pro nové léky,

jako nosiče energie,

která pomůže opravit postižené části mozku

u pacientů s mozkovou poruchou.

V posledních sto letech
jsme viděli mnoho různých technologií,

které se s tím snažily poprat.

Myslím, že všichni známe obrázky mozku,

které vytváří MRI (mag. rezonance).

Jejich plus je, že jsou neinvazivní

a mohou být použity na živých lidech.

Ale zároveň nejsou dost detailní.

Každá skvrna, kterou tady vidíte,
neboli takzvaný voxel,

obsahuje miliony neuronů.

Což rozhodně není úroveň rozlišení,

která by nám umožnila
určit molekulární změny

nebo změny v sestavení sítí,

které se podílejí na našem vědomí.

Druhým extrémem jsou mikroskopy.

Ty používají světlo ke zvětšení
malých věciček.

Staletí se využívají
k pozorování bakterií.

Před 130 lety

neurovědci použili mikroskop

a objevili tak neurony.

Ale světlo je v podstatě limitováno.

S běžným mikroskopem
nemůžete vidět jednotlivé molekuly.

Nemůžete se dívat na ta malá spojení.

Takže pokud se chceme podívat

na pravou strukturu mozku,

budeme potřebovat ještě lepší technologie.

Mou skupinu před pár lety napadlo:

Proč to neudělat naopak?

Když je tak těžké přiblížit mozek,

proč ho nezkusíme zvětšit?

Začínali jsme se dvěma
postgraduálními studenty,

kterými byli Fei Chen a Paul Tillberg.

Dneska nám pomáhá více lidí.

Rozhodli jsme se zjistit,
jestli můžeme vzít polymery,

jako ty v dětských plenách,

a fyzicky je vložit do mozku.

Pokud to uděláme správně
a přidáme vodu,

mohli bychom mozek nafouknout

a rozlišit tak od sebe
jednotlivé biomolekuly.

Viděli bychom tak ona spojení
a získali "mapu" mozku.

A tady to začíná být zajímavé.

Předvedu vám krátkou ukázku.

Vzali jsme čistý materiál plenek.

Je snažší koupit ho na internetu,

než extrahovat pár zrnek
ze skutečné plenky.

Dám jednu lžičku čistého polymeru

sem do misky.

A tady máme trochu vody.

Uvidíme,

jestli dokáže tenhle plenkový materiál

zvětšit svůj objem.

Na vlastní oči uvidíte,

jak zvětší svůj objem asi tisíckrát.

Mohl bych tam nalít více vody,

ale myslím, že jste pochopili,

že se jedná o velmi zajímavou molekulu,

která nám umožní

doopravdy přiblížit mozek a to způsobem,

o kterém si současné technologie
mohou nechat jen zdát.

OK, a teď trochu chemie.

Co se děje v plenkovém polymeru?

Kdybychom ho mohli přiblížit,

vypadal by asi nějak takhle.

Polymery jsou dlouhé tenké řetězce atomů.

Tyto řetězce jsou drobné,

jen na šířku biomolekuly

a jsou opravdu husté.

Mezi nimi je mezera

o velikosti molekuly.

A to je dobře,

protože teoreticky od sebe
můžeme oddělit každý kousek mozku.

Když přidáme vodu,

bobtnavý materiál absorbuje vodu,

polymerové řetězce se od sebe oddělí

a všechen materiál se zvětší.

Protože jsou tyto řetězce tak malé

a mezery mezi nimi také,

můžeme mozek nafouknout,

abychom vše lépe viděli.

Ptáme se tedy:

Jak můžeme dostat tyto polymery do mozku

a oddělit biomolekuly od sebe?

Když se nám to povede,

můžeme získat přesné mapy mozku.

Můžeme se podívat na spoje.

Můžeme nakouknout dovnitř
a spatřit molekuly.

Abych to lépe vysvětlil,

podívejme se na umělecké animace,

jak by mohly biomolekuly vypadat
a jak je můžeme oddělit.

Krok 1: Ze všecho nejdřív

připevníme každou molekulu,
tady jsou zobrazeny hnědě,

k malé kotvě nebo rukojeti.

Musíme tyto části od sebe oddělit,

a k tomu potřebujeme rukojeť,

na kterou se polymery navážou

a využijí její sílu.

Kdybychom vzali plenkový polymer
a vysypali ho na mozek,

samozřejmě by zůstal jen na povrchu.

Takže musíme najít způsob,
jak ho vyrobit uvnitř.

A tady jsme měli štěstí.

Ukazuje se, že můžeme
vzít "základní kameny",

které nazýváme monomery,

dát je do mozku

a spustit chemické reakce,

díky kterým se spojí v dlouhé řetězce

přímo uvnitř mozkové tkáně.

Omotají se okolo biomolekul

propletou se mezi nimi

a vytvoří komplexní sítě,

které nám umožní

jednotlivé molekuly
od sebe oddělit.

A pokaždé, když polymer narazí na rukojeť,

naváže se na ni,

a to je to, co potřebujeme,
abychom mohli molekuly od sebe oddělit.

A nyní, okamžik pravdy.

Musíme náš vzorek chemicky upravit,

aby vazby mezi molekulami povolily,

a pak, když přidáme vodu,

bobtnavý materiál vodu nasaje,

polymerové řetězce se oddělí

ale tentokrát s sebou vezmou
i biomolekuly.

Tak jako obrázek nakreslený na balónku,

který poté nafouknete,

obraz zůstane stejný,

jenom se od sebe jednotlivé body vzdálí.

A přesně tohle nyní dokážeme
ve třech dimenzích.

Ještě poslední trik.

Jak můžete vidět,

obarvili jsme všechny
biomolekuly na hnědo.

To proto, že všechny
vypadají v podstatě stejně.

Jsou vytvořeny ze stejných atomů,

jenom v jiném pořadí.

Potřebujeme tedy poslední věc,

abychom je zviditelnili.

Označkujeme je za pomocí jasných barev

a tak je rozlišíme.

Jeden typ molekul bude modrý.

Další červený,

a tak dále.

To je poslední krok.

Nyní se můžeme podívat na mozek

a vidět jednotlivé molekuly,

protože jsme je od sebe
vzdálili natolik,

že je dokážeme rozlišit.

Myšlenka je tedy taková,
že neviditelné zviditelníme.

Můžeme vzít malé a nejasné věci

a nafouknout je

a číst v nich informace o životě.

Toto je skutečné video,
jak by to mohlo vypadat.

Máme malý mozek na misce,

vlastně kousek mozku.

Nalili jsme dovnitř polymer

a teď přidáme vodu.

Uvidíte na vlastní oči --

je to asi šedesátkrát zrychlené --

jak tento malý kousek mozkové tkáně roste.

Může zvětšit svůj objem až tisíckrát.

A ta nejsuprovnější část je,
že polymery jsou tak malé,

že oddělují biomolekuly
od sebe rovnoměrně.

Je to hladká expanze.

Neztrácíme konfiguraci informací.

Jenom je zviditelňujeme.

Takže můžeme vzít
reálný mozkový obvod --

například kousek obsahující paměť --

a zvětšit si ho.

Můžeme se podívat,
jak obvody vypadají ve skutečnosti.

Jednoho dne možná budeme číst v paměti.

Mohli bychom vidět, jak obvody pracují,

jak zpracovávají emoce,

a jak uspořádání spojení

tvoří to, čím jsme.

A snad budeme moci ukázat

na skutečné problémy v mozku
na molekulární úrovni.

Co kdybychom se mohli
skutečně podívat do buněk mozku

a říct: Jé, tady se změnilo
17 molekul tkáně,

kvůli epilepsii

nebo Parkinosově chorobě

nebo bylo jinak změněno?

Když dostaneme systematický seznam věcí,
které jsou špatně,

zaměříme na ně terapii.

Můžeme na ně navázat léky.

Můžeme cílit energii
do různých částí mozku,

abychom pomohli lidem
s Parkinsonem nebo epilepsií

nebo s jinými potížemi,
které postihují miliardy lidí

po celém světě.

Děje se něco zajímavého.

V celé biomedicíně se ukazuje,

že expanze by mohla pomoci
s dalšími problémy.

Toto je skutečná biopsie
lidského nádoru prsu.

Když se podíváme na rakovinu,

na imunitní systém,

na stárnutí,
na vývoj --

všechny tyto procesy zahrnují
biologické systémy ve velkém měřítku.

Ale problém nastává u molekul
v nano velikosti,

stroječků, které ovládají buňky a orgány.

Takže se snažíme zjistit,

jestli můžeme tuto technologii
mapování stavebních kamenů života

použít v širší škále onemocnění.

Můžem skutečně určit
molekulární změny v nádoru,

abychom na něj mohli jít chytřeji

a dodat léky, které odstraní
přesně ty buňky, které chceme?

Víte, v medicíně je všechno velký risk.

Někdy je to dokonce tipování.

Já doufám, že tento krok do neznáma

učiníme něčím spolehlivějším.

Když si vybavíte první cestu na Měsíc,

kdy skutečně přistáli na Měsíci,

byla založena na solidní vědě.

Rozuměli jsme gravitaci,

rozuměli jsme aerodynamice.

Uměli jsme postavit rakety.

Byl to vědecky kontrolovaný risk.

Pořád to byl skvělý výkon techniky.

Ale v medicíně nutně
nemáme všechny zákony.

Máme analogii ke gravitaci?

Analogii k aerodynamice?

Tvrdil bych, že s technologiemi,

o jakých dnes mluvím,

je možná můžeme odvodit.

Můžeme zmapovat schémata
v živých systémech,

a zjistit, jak překonat nemoci,
které nás trápí.

Víte, se ženou máme dvě malé děti

a jednou z mých nadějí jako bioinženýra,

je udělat pro ně život lepší,
než jaký ho máme my.

Doufám, že změníme biologii a medicínu

z vysoce riskantních snah,
které záleží na štěstí

a uděláme z nich obory,
které vítězí umem a tvrdou prací;

pak získáme velkou výhodu.

Děkuji mnohokrát.

(Potlesk)