Μια νέα μέθοδος για τη μελέτη των αόρατων μυστικών του εγκεφάλου

Ο νευρομηχανικός Εντ Μπόιντεν θέλει να ανακαλύψει πώς τα μικροσκοπικά βιομόρια στους εγκεφάλους μας δημιουργούν αισθήσεις, σκέψεις και συναισθήματα -- και θέλει να βρει τις μοριακές αλλαγές που οδηγούν σε σύνδρομα όπως η επιληψία και το Αλτσχάιμερ. Αντί να εστιάσει σε αυτά τα αόρατα δίκτυα με ένα μικροσκόπιο, σκέφτηκε: Τι θα γινόταν εάν τα μεγεθύναμε και τα κάναμε πιο ευδιάκριτα; Μάθετε πώς τα πολυμερή που χρησιμοποιούνται στις μωρουδιακές πάνες μπορούν να είναι το κλειδί για την καλύτερη κατανόηση του εγκεφάλου μας.

Καλησπέρα σας.

Έφερα σήμερα μαζί μου
αυτήν την πάνα μωρού.

Θα καταλάβετε γιατί, αμέσως.

Οι πάνες έχουν ενδιαφέρουσες ιδιότητες.

Μπορούν να φουσκώσουν απίστευτα
εάν τις βάλεις στο νερό,

ένα πείραμα που κάνουν
εκατομμύρια παιδιά κάθε μέρα.

(Γέλια)

Ο λόγος που την έχω φέρει είναι

επειδή είναι πολύ έξυπνα σχεδιασμένες.

Είναι φτιαγμένες από διογκωτικό υλικό.

Είναι ένα ειδικό υλικό,
στο οποίο όταν προσθέτουμε νερό,

διογκώνεται πάρα πολύ,

ίσως και χιλιάδες φορές σε όγκο.

Είναι ένα πάρα πολύ χρήσιμο,
βιομηχανικού τύπου, πολυμερές.

Με την ομάδα μου στο MIT
θέλουμε να δούμε

αν μπορούμε να κάνουμε
κάτι παρόμοιο στον εγκέφαλο.

Μπορούμε να τον διογκώσουμε

αρκετά ώστε να τον εξερευνήσετε

και να δούμε όλα τα μικροσκοπικά στοιχεία,
τα βιομόρια,

πώς οργανώνονται στις τρεις διαστάσεις,

τη δομή, την πραγματική αλήθεια
της δομής του εγκεφάλου, αν θέλετε;

Αν το καταφέρναμε αυτό

ίσως μπορούσαμε να κατανοήσουμε καλύτερα
το πώς οργανώνεται ο εγκέφαλος

ώστε να παράξει σκέψεις και συναισθήματα,

κινήσεις και αισθήσεις.

Ίσως μπορέσουμε να εντοπίσουμε
τις ακριβείς αλλαγές στον εγκέφαλο

που οδηγούν σε ασθένειες,

ασθένειες όπως το Αλτσχάιμερ,
η επιληψία και το Πάρκινσον,

για τις οποίες υπάρχουν λίγες αγωγές,
λιγότερες θεραπείες,

και που, πολύ συχνά, δεν γνωρίζουμε
τα αίτια ή την προέλευσή τους

και τι πραγματικά τις προκαλεί.

Η ομάδα μας στο MIT

προσπαθεί να εξετάσει το ζήτημα
από διαφορετική οπτική γωνία

από αυτή της νευροεπιστήμης
τους τελευταίους αιώνες.

Είμαστε σχεδιαστές. Εφευρέτες.

Προσπαθούμε ανακαλύψουμε
πώς να φτιάξουμε τεχνολογίες

που θα επιτρέπουν να δούμε
και να επιδιορθώσουμε τον εγκέφαλο.

Και αυτό γιατί,

ο εγκέφαλος είναι εξαιρετικά,
εξαιρετικά πολύπλοκος.

Αυτό που έχουμε μάθει
κατά τον πρώτο αιώνα της νευροεπιστήμης

είναι ότι ο εγκέφαλος
είναι ένα πολύ περίπλοκο δίκτυο

φτιαγμένο από εξειδικευμένα κύτταρα,
τους νευρώνες,

με πολύ πολύπλοκες γεωμετρίες,

και ηλεκτρικά ρεύματα θα περάσουν

μέσω αυτών των πολυπλόκως
δομημένων νευρώνων.

Ακόμη, τα νεύρα
είναι συνδεδεμένα σε δίκτυα.

Συνδέονται μέσω μικρών κόμβων
που λέγονται συνάψεις

και ανταλλάσουν χημικές ουσίες

και επιτρέπουν στους νευρώνες
να επικοινωνούν.

Η πυκνότητα του εγκεφάλου είναι απίστευτη.

Σε ένα κυβικό χιλιοστό του εγκεφάλου σας,

υπάρχουν περίπου 100.000 τέτοιοι νευρώνες

και ίσως ένα δισεκατομμύριο
από αυτές τις ενώσεις.

Γίνεται όμως ακόμα χειρότερο.

Εάν βλέπατε έναν νευρώνα από πολύ κοντά,

-εδώ βλέπετε μόνον
την καλλιτεχνική αναπαράσταση του-

θα βλέπατε χιλιάδες
και χιλιάδες είδη βιομορίων,

μικρές νανοειδείς μηχανές,

οργανωμένες σε περίπλοκα,
τρισδιάστατα μοτίβα,

που μαζί δημιουργούν
αυτούς τους ηλεκτρικούς παλμούς,

αυτές τις χημικές ανταλλαγές

που επιτρέπουν στους νευρώνες
να συνεργαστούν

ώστε να παράξουν σκέψεις,
συναισθήματα και οτιδήποτε άλλο.

Δεν γνωρίζουμε ακόμα
πώς οργανώνονται οι νευρώνες στον εγκέφαλο

ώστε να δημιουργήσουν δίκτυα

και δεν γνωρίζουμε
πώς οργανώνονται τα βιομόρια

μέσα στους νευρώνες

ώστε να φτιάξουν αυτές τις περίπλοκες,
οργανωμένες μηχανές.

Εάν θέλουμε όντως να το καταλάβουμε,

θα χρειαστούμε καινούργιες τεχνολογίες.

Εάν είχαμε όμως τέτοιους χάρτες,

αν μπορούσαμε να δούμε την οργάνωση
των κυττάρων και των νευρώνων,

των νευρώνων και των δικτύων,

ίσως καταλαβαίναμε πραγματικά
πώς μεταφέρεται η πληροφορία στον εγκέφαλο

από τα αισθητήρια όργανα,

την αναμειγνύει με συναισθήματα,

και παράγει τις αποφάσεις
και τις δράσεις μας.

Ίσως εντοπίζαμε τις ακριβείς
μοριακές μεταβολές που εμφανίζονται

στις διαταραχές του εγκεφάλου.

Αν γνωρίζαμε τις μεταβολές στα κύτταρα,

εάν είχε αυξηθεί ο αριθμός τους
ή είχε αλλάξει η σύνθεσή τους,

ίσως τις χρησιμοποιήσαμε
ως στόχους για νέα φάρμακα,

για νέους τρόπους μεταφοράς
ενέργειας στον εγκέφαλο

για την επισκευή εγκεφαλικών
λειτουργιών που έχουν πληγεί

σε ασθενείς που υποφέρουν
από εγκεφαλικές διαταραχές.

Έχουμε δει πολλές διαφορετικές
τεχνολογίες τον τελευταίο αιώνα

που επιχειρούν το ίδιο.

Όλοι έχουμε δει εγκεφαλογραφήματα

από μαγνητικούς τομογράφους.

Αυτές έχουν το προφανές προνόμιο
να είναι μη-παρεμβατικές,

μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ανθρώπους.

Αλλά είναι, εξαιρετικά άξεστες.

Κάθε μία από αυτές τις κηλίδες,
ογκοστοιχεία, όπως λέγονται,

μπορεί να περιέχει εκατομμύρια
και εκατομμύρια νευρώνων.

Δεν έχει δηλαδή την ευκρίνεια

ώστε να εντοπίσουμε
τις μοριακές μεταβολές

ή τις αλλαγές στις συνδέσεις
αυτών των δικτύων

που ενισχύουν στην ικανότητά μας
να είμαστε συνειδητά και δυνατά όντα.

Στο άλλο άκρο, υπάρχουν τα μικροσκόπια.

Τα μικροσκόπια χρησιμοποιούν φως
για να δουν μικροσκοπικά πράγματα.

Τα χρησιμοποιούμε αιώνες τώρα
για την παρατήρηση βακτηρίων.

Στη νευροεπιστήμη,

τα μικροσκόπια ευθύνονται
για την ανακάλυψη των νευρώνων,

πριν περίπου 130 χρόνια.

Αλλά το φως είναι εξ ορισμού περιορισμένο.

Δεν μπορείς να δεις τα μικρότερα
μόρια με οποιοδήποτε μικροσκόπιο.

Δεν μπορείς να δεις αυτές
τις μικρές συνδέσεις.

Αν θέλουμε να βελτιωθεί η δυνατότητα μας
να εξετάζουμε τον εγκέφαλο,

να ανακαλύψουμε την πραγματική αλήθεια,

θα χρειαστούμε ακόμα
καλύτερες τεχνολογίες.

Πριν μερικά χρόνια,
ξεκινήσαμε να σκεφτόμαστε:

Γιατί δεν κάνουμε το αντίθετο;

Αν είναι τόσο περίπλοκο
να ζουμάρουμε στον εγκέφαλο,

γιατί να μην μεγαλώσουμε τον εγκέφαλο;

Αρχικά ξεκίνησε

με δύο μεταπτυχιακούς φοιτητές,
τους Φέι Τσεν και Πολ Τίλμπεργκ.

Πλέον πολλοί άλλοι στην ομάδα μου
βοηθούν στην έρευνα.

Αποφασίσαμε να δούμε αν μπορούμε
να πάρουμε πολυμερή,

όπως αυτά στις πάνες των μωρών,

και να τα τοποθετήσουμε στον εγκέφαλο.

Αν το κάναμε σωστά και προσθέταμε νερό,

θα μπορούσαμε να διογκώσουμε τον εγκέφαλο

τόσο που θα διακρίνονται τα μικροσκοπικά
βιομόρια το ένα από το άλλο.

Θα βλέπαμε τις συνδέσεις
και θα είχαμε εγκεφαλικούς χάρτες.

Αυτό μπορεί να είναι σχετικά σοκαριστικό.

Σας έχουμε φέρει μια παρουσίαση.

Έχουμε απολυσμάμενο υλικό πάνων μωρού.

Είναι πολύ πιο εύκολο
να το αγοράσεις στο Ίντερνετ

από το να διαχωρίσεις τις μικροσκοπικές
ποσότητες που υπάρχουν στις πάνες.

Θα βάλω μόνο ένα κουταλάκι του γλυκού

από αυτό το καθαρισμένο πολυμερές.

Εδώ έχουμε λίγο νερό,

Αυτό που θα κάνουμε

είναι να δούμε αν αυτή η κουταλιά
του υλικού της πάνας

μπορεί να μεγαλώσει σε μέγεθος.

Θα δείτε να αυξάνεται σε όγκο
κατά περίπου χίλιες φορές

μπροστά στα μάτια σας.

Θα μπορούσα να προσθέσω πολύ περισσότερο

αλλά νομίζω πως πιάσατε το νόημα

πως αυτό είναι ένα πάρα
πολύ ενδιαφέρον υλικό,

και εάν χρησιμοποιηθεί σωστά,

ίσως μπορούμε να μεγενθύνουμε τον εγκέφαλο

με τρόπο που δεν μπορούσαμε
με τις προηγούμενες τεχνολογίες.

Εντάξει. Ώρα για λίγη χημεία τώρα.

Τι συμβαίνει στο πολυμερές της πάνας;

Αν μπορούσαμε να το δούμε από κοντά

ίσως βλέπαμε κάτι
σαν αυτό που βλέπετε στην οθόνη.

Τα πολυμερή είναι αλυσίδες ατόμων
τοποθετημένα σε μακριές, λεπτές γραμμές.

Οι αλυσίδες είναι πολύ μικρές,

έχουν σχεδόν το πλάτος ενός βιομορίου,

και αυτά τα πολυμερή είναι πολύ πυκνά.

Χωρίζονται από αποστάσεις

περίπου στο μέγεθος ενός βιομορίου.

Αυτό είναι πολύ καλό

επειδή ίσως μπορούμε
να ξεχωρίσουμε το εσωτερικό του εγκεφάλου.

Αν προσθέσουμε νερό
αυτό που θα συμβεί είναι

το διογκωτικό υλικό
θα απορροφήσει το νερό

και οι πολυμερικές αλυσίδες θα χαλαρώσουν

και ολόκληρο το υλικό θα φουσκώσει.

Επειδή οι αλυσίδες είναι μικροσκοπικές

και χωρίζονται μόνο από μερικά βιομόρια,

μπορούμε εν δυνάμει
να μεγενθύνουμε τον εγκέφαλο

αρκετά ώστε να τον εξετάσουμε.

Ιδού το μυστήριο λοιπόν:

Πώς τοποθετούμε αυτές
τις αλυσίδες πολυμερούς στον εγκέφαλο

ώστε να δημιουργήσουμε απόσταση
ανάμεσα στα βιομόρια;

Αν το καταφέρναμε,

ίσως είχαμε πραγματικούς
εγκεφαλικούς χάρτες.

Θα εξετάζαμε τις συνδέσεις.

Θα βλέπαμε το εσωτερικό του εγκεφάλου
και τα διαφορετικά βιομόρια.

Για να το εξηγήσουμε,
φτιάξαμε κάποιες αναπαραστάσεις

όπου βλέπουμε,
σε καλλιτεχνική αναπαράσταση,

πώς ίσως να έμοιαζαν τα βιομόρια
και πώς θα τα διαχωρίζαμε.

Βήμα πρώτο: το πρώτο
που θα χρειαζόταν να κάνουμε

είναι να συνδέσουμε το κάθε βιομόριο,
που εδώ φαίνεται καφέ,

σε μια μικρή άγκυρα, έναν μικρό συνδετήρα.

Πρέπει να απομακρύνουμε
τα βιομόρια του εγκεφάλου,

για να γίνει αυτό
χρειάζεται ένα συνδετικό υλικό

που θα επιτρέψει στα πολυμερή
να προσκολληθούν

και να δράσουν.

Εάν όμως απλά βάλεις
το πολυμερές της πάνας στον εγκέφαλο,

προφανώς, θα μείνει στην επιφάνεια.

Οπότε πρέπει κάπως
να βάλουμε το πολυμερές μέσα.

Εδώ ήμασταν τυχεροί.

Αποδείχθηκε πως μπορείς
να πάρεις τις δομικές μονάδες

-που λέγονται μονομερή-
και αν τα βάλεις στον εγκέφαλο

και προκαλέσεις χημικές αντιδράσεις

θα δημιουργήσουν
αυτές τις μακριές αλυσίδες,

ακριβώς μέσα στον εγκεφαλικό ιστό.

Θα πλεχτούν γύρω από τα βιομόρια

και ανάμεσα σε αυτά,

δημιουργώντας πολύπλοκους ιστούς

που τελικά θα επιτρέψουν τον διαχωρισμό
του ενός βιομορίου από το άλλο.

Κάθε φορά που κάποιος από αυτούς
τους συνδετήρες βρίσκεται κοντά,

το πολυμερές θα συνδέεται,
όπως ακριβώς χρειαζόμαστε

ώστε να απομακρύνουμε
το ένα βιομόριο από το άλλο.

Εντάξει, ήρθε η στιγμή της αλήθειας.

Πρέπει να επεξεργαστούμε αυτό το υλικό

με ένα χημικό ώστε να χαλαρώσουμε
τους δεσμούς βιομορίων,

και τότε, όταν προσθέσουμε νερό

το διογκωτικό υλικό
θα αρχίσει να απορροφά το νερό,

οι πολυμερικές αλυσίδες θα χαλαρώσουν,

αλλά, αυτή τη φορά,
τα βιομόρια θα ακολουθήσουν.

Όπως μια ζωγραφιά πάνω σε μπαλόνι,

που όταν σκας το μπαλόνι,

παραμένει ίδια,

αλλά τα σωματίδια του μελανιού
έχουν διαχωριστεί.

Αυτό έχουμε καταφέρει,
αλλά σε τρεις διαστάσεις.

Υπάρχει ένα τελευταίο κόλπο.

Όπως μπορείτε να δείτε,

Έχουμε χρωματίσει όλα τα βιομόρια καφέ.

Αυτό γιατί μοιάζουν πολύ μεταξύ τους.

Τα βιομόρια αποτελούνται
από το ίδιο άτομο,

απλώς σε διαφορετικές σειρές.

Οπότε χρειαζόμαστε κάτι ακόμα

ώστε να τα κάνουμε διακριτά.

Πρέπει να βάλουμε ταμπελίτσες

με φωσφορίζοντα χρώματα
που θα τα ξεχωρίζουν.

Οπότε ένα είδος μορίου θα είναι μπλε.

Ένα άλλο είδος θα είναι κόκκινο.

και ούτω καθεξής.

Αυτό είναι το τελευταίο βήμα.

Τώρα μπορούμε να κοιτάξουμε
κάτι όπως ο εγκέφαλος

και να δούμε τα διαφορετικά μόρια

επειδή τα έχουμε απομακρύνει αρκετά
το ένα από το άλλο

ώστε μπορούμε να τα διαχωρίσουμε.

Ελπίζουμε λοιπόν, πως μπορούμε
να κάνουμε το αόρατο, ορατό.

Πως μπορούμε να πάρουμε
κάτι μικρό και δυσδιάκριτο

και να το μεγεθύνουμε

μέχρι να είναι σαν αστερισμός
πληροφοριών για τη ζωή.

Τώρα θα δείτε ένα βίντεο
του πώς μπορεί να μοιάζει.

Έχουμε έναν μικρό εγκέφαλο
σε ένα τρυβλίο -

ένα μικρό κομμάτι εγκεφάλου.

Τοποθετήσαμε το πολυμερές,

και τώρα προσθέτουμε νερό.

Αυτό που θα δείτε μπροστά στα μάτια σας

-το βίντεο έχει επιταχυνθεί εξήντα φορές -

αυτό το μικρό κομμάτι εγκεφάλου
θα μεγαλώσει.

Μπορεί να μεγαλώσει εκατοντάδες φορές
ή ακόμη περισσότερο σε όγκο.

Το φοβερό είναι, πως επειδή τα βιομόρια
είναι τόσο μικρά,

τα διαχωρίζουμε σε ίσες αποστάσεις
μεταξύ τους.

Είναι μια ομαλή επέκταση.

Δεν χαλάμε την οργάνωση της πληροφορίας.

Την κάνουμε απλώς πιο ευδιάκριτη.

Τώρα μπορούμε να δούμε ένα
πραγματικό εγκεφαλικό κύκλωμα

-αυτό είναι ένα μέρος του εγκεφάλου
που ασχολείται με τη μνήμη -

μπορούμε να το μεγεθύνουμε.

Μπορούμε να εξετάσουμε
πώς είναι οργανωμένα τα κυκλώματα.

Ίσως κάποια στιγμή
διαβάσουμε μια ανάμνηση,

ή να δούμε πώς είναι
οργανωμένα τα κυκλώματα

ώστε να επεξεργαστούν συναισθήματα,

ποια είναι η πραγματική δομή
των εγκεφαλικών ενώσεων

ώστε να μας κάνουν αυτούς που είμαστε.

Φυσικά, ελπίζουμε πως θα εντοπίσουμε

πραγματικά εγκεφαλικά προβλήματα
σε μοριακό επίπεδο.

Τι θα γινόταν αν μπορούσαμε
να εξετάσουμε τα κύτταρα και να βρούμε,

παραδείγματος χάριν,
ότι 17 μόρια έχουν αλλοιωθεί

σε αυτόν τον εγκεφαλικό ιστό
που περνάει επιληπτική κρίση

ή σύνδρομο Πάρκινσον

ή με οποιοδήποτε άλλο τρόπο;

Εάν φτιάξουμε μια λίστα
με όλα τα προβλήματα,

αυτά γίνονται στόχοι για θεραπείες.

Ίσως φτιάξουμε φάρμακα γι' αυτά.

Ίσως στοχεύσουμε ενέργεια
σε διαφορετικά σημεία

ώστε να βοηθήσουμε ανθρώπους
με Πάρκινσον ή επιληψία

ή άλλες ασθένειες που πλήττουν
δισεκατομμύρια ανθρώπους

σε όλο τον κόσμο.

Τον τελευταίο καιρό
συμβαίνει κάτι ενδιαφέρον.

Αποδεικνύεται πως στη βιοϊατρική

υπάρχουν αρκετά προβλήματα
που μπορούν να λυθούν με την επέκταση.

Αυτή είναι μια πραγματική βιοψία ασθενούς
με καρκίνο του μαστού.

Αν εξετάσεις τα καρκινώματα,

το ανοσοποιητικό σύστημα,

τη γήρανση, την ανάπτυξη,

όλες αυτές οι λειτουργίες περιλαμβάνουν
αχανή βιολογικά συστήματα.

Αλλά φυσικά, τα προβλήματα ξεκινούν
από τα μικρά νανοειδή μόρια,

τις μηχανές που κάνουν τα κύτταρα
και τα όργανα του σώματος να λειτουργούν.

Προσπαθούμε λοιπόν να καταλάβουμε

εάν με τη χρήση αυτής της τεχνολογίας

μπορούμε να χαρτογραφήσουμε
τα δομικά στοιχεία της ζωής

σε ευρεία γκάμα ασθενειών.

Μπορούμε να εντοπίσουμε
τις μοριακές αλλαγές σε έναν όγκο

ώστε να τον κυνηγήσουμε έξυπνα

και να χορηγήσουμε φάρμακα που μπορούν
να καταστρέψουν τα κύτταρα που θέλουμε;

Ξέρετε, η ιατρική πολλές φορές
είναι ριψοκίνδυνη.

Μερικές φορές, απλά μαντεύουμε.

Εγώ ελπίζω ότι μπορούμε να μετατρέψουμε
μια ριψοκίνδυνη αποστολή

σε κάτι πιο έμπιστο.

Αν σκεφτείτε την πρώτη αποστολή
στο φεγγάρι,

όταν προσεδαφίστηκαν στη Σελήνη,

βασίστηκαν στην επιστήμη.

Κατανοήσαμε την βαρύτητα,

την αεροδυναμική,

πώς να φτιάξουμε πυραύλους.

Ο επιστημονικός κίνδυνος ήταν υπό έλεγχο.

Ήταν, φυσικά, ένα απίστευτο επίτευγμα
της μηχανικής.

Στην ιατρική όμως, δεν έχουμε ακόμα
όλους τους νόμους.

Έχουμε νόμους που είναι ανάλογοι
προς την βαρύτητα,

ανάλογοι της αεροδυναμικής;

Πιστεύω πως με αυτές τις τεχνολογίες

όπως αυτή για την οποία σας μιλώ σήμερα,

ίσως να τους ανακαλύψουμε.

Μπορούμε να χαρτογραφήσουμε τα μοτίβα
των ζωντανών οργανισμών

και να βρούμε πώς να ξεπεράσουμε
ασθένειες που μας πλήττουν.

Η γυναίκα μου και εγώ,
έχουμε δύο νέα παιδιά,

και ελπίζω, ως εμβιομηχανικός,
να κάνω τη ζωή καλύτερη για αυτά

από ό,τι είναι για εμάς.

Ελπίζω πως εάν μετατρέψουμε
τη βιολογία και την ιατρική

από ριψοκίνδυνες ενασχολήσεις

που καθορίζονται
από τις πιθανότητες και την τύχη,

σε κάτι που κερδίζεται με την ικανότητα
και τη σκληρή δουλειά,

αυτό θα ήταν μια εξαιρετική πρόοδος.

Σας ευχαριστώ πολύ.

(Χειροκρότημα)