پوشک بچه الهام بخش راهکاری جدید در مطالعه مغز

مهندس اعصاب، اد بویدن، می‌خواهد بداند که چطور زیست مولکول‌های مغز ما احساسات ، عواطف و افکار را تولید می‌کنند-- و می‌خواهد بفهمد که چگونه تغییرات مولکولی موجب بیماری‌هایی مانند صرع و آلزایمر می‌گردد. بجای بزرگ کردن این ساختار‌های ناپیدا با میکروسکوپ، او این سوال را مطرح می‌کند: چه می‌شد اگر آنها را به صورت فیزیکی بزرگ می‌کردیم تا راحت تر دیده شوند؟ ببینیم تا چطور همان پلیمر‌هایی که برای ساخت پوشک بچه استفاده می‌شوند می‌توانند عامل اصلی برای درک بهتر مغزمان باشند.

سلام به همگی.

امروز با خودم یک پوشک بچه آوردهام.

و همین الان میفهمید چرا.

پوشک بچه خاصیتهای جالبی دارد.

وقتی به آن آب اضافه کنید
مقدار بسیار زیادی متورم میشود،

آزمایشی که میلیونها بچه
هر روز انجام میدهند.

( خنده حضار )

اما دلیل این اتفاق

این است که به شکلی
هوشمندانه طراحی شدهاند.

آنها از چیزهایی ساخته شدهاند که
مواد قابل تورم نام دارند.

مواد خاصی هستند،
که وقتی آب اضافه میکنید،

بینهایت پف میکنند،

شاید در حجمی هزار برابر.

و این نوعی پلیمر صنعتی بسیارمفید است.

اما کاری که گروه من
در ام آی تی میخواهد انجام دهد

این است که ببینیم آیا میتوانیم کاری
شبیه به آن را با مغز انجام دهیم.

آیا میتوانیم بزرگترش کنیم،

آنقدر که بتوانیم درونش را بررسی کنیم

و زیست ملکولها،
واجزای سازنده کوچکش را ببینیم،

که چطور در فضای سه بعدی قرار گرفتهاند،

ساختار آن، یا ساختار حقیقی آن اگر بخواهید؟

اگر بتوانیم،

ممکن است درک بهتری از اینکه
سازماندهی مغز چگونه است پیدا کنیم

تا افکار و احساسات

و اعمال و حواس را بدست آوریم.

شاید بتوانیم دقیقا تغییراتی را
در مغز را مشخص کنیم

که بیماریها را ایجاد میکند،

بیماریهایی مانند
آلزایمر و صرع و پارکینسون،

که درمانهای کمی برای آن وجود دارد،
چه برسد به معالجه،

ودلیل آن این است که اغلب،
منشا بیماری و دلیلش

و اینکه واقعا چرا
بوجود میآیند را نمیدانیم.

حالا، گروه ما در ام آی تی

میخواهد از نقطه نظر دیگری

در مقایسه روش عصب شناسی که در صد سال
گذشته انجام شده به موضوع نگاه کنند.

ما طراحیم. ما مخترعیم.

بدنبال آنیم تا ببینیم چطور میتوانیم
فناوریهای جدیدی بسازیم که

به ما اجازه میدهد تا مغز را
تعمیر کنیم.

و دلیل آن این است که

مغز بینهایت، بینهایت پیچیده است.

آنچه در قرن اول عصب شناسی آموختهایم

این است که مغز یک شبکه بسیار پیچیده است،

که از سلولهای بسیار خاصی
بنام نورون ساخته شده

با ترکیب هندسی بسیار پیچیده،

و جریان الکتریسیته در میان این نورونهای
پیچیده جاری میشود.

به علاوه، نورونها در شبکه هایی متصلند،

و ارتباطشان از طریق اتصالهای کوچکی به نام
سیناپس است که با انتقال مواد شیمیایی

به نورونها اجازه میدهد
با یکدیگر ارتباط داشته باشند.

تراکم مغز باورکردنی نیست.

در یک میلیمتر مکعب از مغز ما،

حدود ۱۰۰٫۰۰۰ از این نورونها وجود دارد

و شاید یک میلیارد اتصال.

اما از این بدتر است.

اگر یک نورون را بزرگ کنیم،

و مسلما این تنها یک طراحی از آن است.

چیزی که میبینیم
هزاران هزار زیست مولکول متنوع است،

دستگاههای کوچکی در اندازه نانو،که به
شکلی پیچیده در فضای سه بعدی منظم شدهاند،

و با یکدیگر هدایت کننده
پالسهای الکتریکی هستند،

آن تبادلهای شیمیایی
که موجب کار نورونها با هم میشود

که مولد چیزهایی
مانند افکار و احساسات و غیره است.

ما نمیدانیم که
نورونهای مغز چطور مرتب شدهاند

که شبکهها را بسازند،

و نمیدانیم که زیست ملکولها چگونه

در نورونها سازماندهی شدهاند

تا این دستگاههای پیچیده،
سازمان یافته را بسازند.

اگر واقعا بخواهیم این را بفهمیم،

نیاز به فناوری های جدیدی خواهیم داشت.

اما اگر این نقشهها را بدست آوریم،

اگر بتوانیم به سازماندهی
مولکولها و نورونها نگاه کنیم

و نورونها و شبکه ها،

شاید بتوانیم واقعا بفهمیم که مغز
چگونه اطلاعات را

از نواحی حسی، هدایت میکند،

آن را با احساسات و حواس مخلوط میکند،

و تصمیمات و اعمال ما را تولید میکند.

شاید بتوانیم دسته مشخصی
از تغییرات مولکولی را مشخص کنیم

که در یک بیماری مغزی پیش میآید.

و هنگامی که بفهمیم
این مولکول ها چطور تغییر کردهاند،

آیا تعدادشان اضافه شده
یا الگویشان تغییر کرده،

ما میتوانیم از آنها به عنوان
اهدافی برای داروهای جدید استفاده کنیم،

به عنوان روشهای جدیدی
برای تحویل انرژی به مغز

تا محاسبات مغزی ای که دچار مشکل شده را

در بیماران با اختلالات مغزی بازسازی کنیم.

ما همگی فناوریهای بسیاری را
در قرن قبل دیدهایم که

تلاش در مقابله با آن داشته است.

همگی ما اسکن مغز را دیدهایم

که با دستگاههای ام آر آی تهیه شده.

اینها، البته مزیتهای زیادی دارند
چون تهاجمی نیستند،

روی انسانهای زنده قابل استفادهاند.

ولی، از دید فضایی دقیق نیستند.

هر کدام از آن حبابهایی که میبینید،
که نامشان ووکسل است،

از میلیونها میلیون نورون تشکیل شده،

پس در سطحی از دقت نیستند که

بتوانند یک تغییر مولکولی را مشخص کنند یا

تغییری در اتصال این شبکهها را

که دلیل توانایی ما
به عنوان موجوداتی هشیار و قدرتمند است.

در آن سو، ما میکروسکوپ را داریم.

میکروسکوپها، البته از نور
برای دیدن چیزهای ریز استفاده میکنند.

برای قرنها، از آنها برای دیدن چیزهایی
مانند باکتریها استفاده شده.

در عصب شناسی،

اصولا از طریق میکروسکوپ نورونها کشف شدند،

حدود ۱۳۰ سال پیش.

اما نور ذاتا محدود است.

با استفاده از میکروسکوپ های معمولی قدیمی
نمیتوان مولکولهای را مجزا را دید.

نمیشود به این اتصالات ریز را نگاه کرد.

پس اگر بخواهیم توانایی دیدن مغز
با قدرت بیشتر را پیدا کنیم،

تا به ساختار واقعی آن دست یابیم،

باید از فناوریهای بهتری استفاده کنیم.

گروه من، چند سال قبل،
به این موضوع توجه کرد:

چرا خلاف این کار را نکنیم؟

اگر بزرگنمایی مغز اینقدر پیچیده است،

چرا نتوانیم مغز را بزرگتر کنیم؟

به این صورت شروع شد

دو فارغ التحصیل در گروه من،
فی چن و پاول تیلبرگ.

و حالا خیلیهای دیگر در گروه من
مشغول کمک به این فرایند هستند.

تصمیم گرفتیم تا بررسی کنیم
که آیا میتوان از پلیمرها،

مانند مواد موجود در پوشک بچهها
استفاده کرد،

و این مواد را درون مغز قرار داد.

اگر بتوانیم این کار را انجام دهیم،
و آب اضافه کنیم،

قاعدتا میتوانی مغز را متورم کنی

تا جایی که بتوانی آن
زیست مولوکولهای کوچک را تشخیص دهی.

میشود آن اتصالات را دید
و نقشهای از مغز درست کرد.

که در واقع میتواند خیلی دیدنی باشد.

ما یک نمایش کوچک برایتان داریم.

مقداری مواد خالص شده پوشک بچه داریم.

خریدن آن از طریق اینترنت

بسیار ساده تر از جدا کردن
چند دانه آن از داخل پوشک است.

من فقط یک قاشق چایخوری از این

پلیمر خالص شده اینجا میریزم

و مقداری آب داریم.

کاری که میکنیم این است که

ببینیم آیا این مقدار کم از مواد پوشک بچه

حجمش زیاد میشود.

درحال دیدن افزایش حجمش تا حدود هزار برابری

در مقابل چشمهایمان هستیم.

میتونم مقدار بیشتری اینجا بریزم،

اما به نظرم متوجه شدید

که این مولکول خیلی خیلی جالبی است،

و اگر بدرستی استفاده شود،

ممکن است بتوانیم واقعا
در مغزمان درشت نمایی کنیم

به صورتی که با فناوریهای قبلی نمیشد.

بسیار خوب، کمی از شیمی صحبت کنیم.

چه اتفاقی در پلیمر پوشک بچه میافتد؟

اگر بتوان بزرگنمایی کرد،

چیزی مثل آنچه روی صفحه است میبینید.

پلیمرها رشتهای از اتمها هستند که بصورت
رشتههای بلند و نازک مرتب شدهاند.

زنجیرهها بسیار نازک هستند،

حدود ضخامت یک زیست مولوکول،

و این پلیمرها خیلی متراکم هستند.

و تقریبا با فاصله

یک زیست مولوکول از هم جدا شدهاند.

که خیلی خوب است

چون احتمالا میتوانیم
همه چیز را در مغز را از هم جدا کنیم.

اگر آب اضافه کنیم،
اتفاقی که میافتد این است،

این مواد متورم شدنی، آب را جذب میکنند،

و زنجیرههای پلیمیری از هم دور میشوند،

و کل ماده بزرگتر میشود.

و چون این زنجیرهها خیلی نازکند

و فاصلهشان به آندازه زیست مولکولهاست،

احتمالا می توانیم مغز را متورم کنیم

و تا اندازهای که دیده بشود بزرگش کنیم.

اینجا یک رمزی وجود دارد:

چطور میتوانیم این رشتهها را
به درون مغز متصل کنیم

تا همه این زیست مولوکولها را
از هم جدا کنیم؟

اگر بشود این کار را کرد،

ممکن است بشود
نقشه اصلی مغز را ایجاد کرد.

میتوانیم اتصالات را ببینیم.

میتوانیم لایهها را برداریم
و مولوکولهای داخلش را ببینیم.

برای توضیح بیشتر چند فیلم ساختهایم

و در واقع به این تصاویر هنری نگاه میکنیم،

که زیست مولکولها چطور به نظر میرسند
و چطور میتوانیم جدایشان کنیم.

قدم اول: قبل از همه،
کاری که باید انجام دهیم،

وصل کردن به هر زیست مولکولی
که اینجا قهوهای نشان داده شده،

به یک لنگر، یک گیره کوچک است.

باید مولکولهای مغز را جدا از هم بکشیم،

و برای این کار،
احتیاج به یک دستگیره کوچک داریم

تا اجازه دهد که این پلیمرها
به آنها متصل شوند

و نیرویشان را انتقال دهند.

حالا، اگر فقط پلیمرهای پوشک
را بگیری و در مغز بریزی،

مشخص است که روی مغز قرار میگیرند.

پس باید راهی پیدا کنیم که
پلیمرها را وارد مغز کند.

و اینجاست که واقعا خوش شانسیم.

معلوم شده، که میشود ساختارهای پایه را،

که نامشان مونومر است،

داخل مغز کرد

و سپس به وسیلهی واکنشهای
شیمیایی تحریک کرد

میتوان وادارشان کرد تا آن
زنجیرههای بلند را تشکیل دهند،

درست داخل بافت مغز.

آنها راهشان را در میان
زیست مولوکولها پیدا میکنند

و در میان زیست مولوکولها

این شبکههای پیچیده را تشکیل میدهند

که اجازه میدهد، تا نهایتا،
مولکولها را

از هم جدا کنیم.

و هروقت که یکی از این
گیرههای کوچک نزدیک است،

پلیمر به گیره متصل میشود،
و این دقیقا همان چیزی است که میخواهیم

تا مولکولها را کشیده و از هم جدا کنیم.

بسیار خوب، حالا وقت نتیجه گیری است.

ما باید این نمونه را با

ماده شیمیایی که اتصال مولکولها
از هم را ضعیف میکند مخلوط کنیم،

و بعد وقتی آب اضافه میکنیم،

آن ماده تورم زا شروع به جذب آب میکند،

زنجیرههای پلیمری از هم دور میشوند،

اما اکنون، زیست مولوکولها
هم با این جدایی همراه میشوند.

و خیلی شبیه به کشیدن تصویری روی بادکنک،

وقتی که بادکنک را باد میکنیم،

تصویر تغییری نمیکند،

اما ذرات جوهر از هم دور میشوند.

و این کاری است که الان میتوانیم
انجام دهیم، اما در فضای سه بعدی.

یک حقهی نهایی هم داریم.

همانطور که اینجا میبینید،

ما با رنگ قهوهای زیست مولکولها را
کدگذاری کرده ایم.

چون همگی به نوعی شبیه هم هستند.

زیست مولکولها
از اتمهای مشابهی ساخته شدهاند،

اما در ترتیبهایی متفاوت.

پس یک چیز دیگر هم نیاز داریم

تا آنها را قابل دیدن کنیم.

باید پرچسبهای کوچکی آماده کنیم،

با رنگهای درخشان که آنها را متمایز کند.

پس یک نوع زیست مولکول
ممکن است آبی شود.

و نوع دیگری زیست مولوکول قرمز میشود.

و به همین صورت.

و این آخرین قدم است.

حالا به چیزی شبیه مغز نگاه میکنیم

و مولوکولهای جدا از هم را ببینیم،

چون آنها را
به اندازهای از هم دور کردهایم

که میتوانیم آنها را مشخص کنیم.

پس حالا امیدمان این است
که بتوانیم چیزهای نامرئی را دیدنی کنیم.

میتوانیم چیزهایی که کوچک
و نامشخص به نظر میآیند را

آنقدر بزرگ کنیم که

آنها به اندازهی آسمان، اطلاعاتی
در مورد زندگی داشته باشند.

این یک فیلم واقعی
از آنچه ممکن است به نظر بیاید.

اینجا یک مغز کوچک در ظرف داریم --

در واقع، قطعه کوچکی از مغز.

ما پلیمر را در آن وارد کردهایم.

و آب اضافه میکنیم.

چیزی که درست در برابر چشمانتان میبینید --

این فیلم حدود شصت برابر تند شده --

این قطعه کوچک از بافت مغز
در حال بزرگ شدن است.

میتواند حدود صد برابر
یا بیشتر در حجم بزرگ شود.

و نقطه جالب این که،
چون این پلیمرها خیلی کوچکند،

ما زیست مولکولها را
به یک نسبت از هم جدا میکنیم.

یک گسترش آرام است.

ما ترکیبهای اطلاعاتی را از دست نمیدهیم.

تنها دیدنشان را راحت میکنیم.

حالا واقعا میتوانیم
مدارهای واقعی مغز را --

اینجا قطعهای از مغز را داریم
که بیشتر درگیرِ مثلا حافظه است --

و میتوانیم بزرگش کنیم.

میتوانیم واقعا ببینیم که
چگونه مدارها ترکیب شدهاند

ممکن است روزی بتوانیم،
خاطرهای را بخوانیم.

شاید بتوانیم واقعا ترکیب مدارها را

برای پردازش احساسات ببینیم،

اتصالات واقعی مغز ما چطور سازماندهی شده

تا ما را، خودمان کند.

و البته، امیدوارم که بتوانیم،

مشکلات واقعی مغز را
در سطح مولکولی بفهمیم.

چه میشد اگر میتوانستیم به
سلولهای مغز نگاه کنیم

و بفهمیم، وای، ۱۷
مولوکولی که تغییر کردهاند

در این بافت مغز که صرع دارد اینجا هستند

یا بخاطر بیماری پارکینسون تغییر کردهاند

یا به هر دلیلی تغییر کردهاند؟

اگر به همین شیوه لیست منظم
ایرادها تهیه شود،

آنها هدفهای درمانی ما خواهند بود.

میتوانیم داروهایی برای اتصالشان بسازیم.

ممکن است بتوانیم انرژی
بخشهای مختلفی از مغز را هدف بگیریم

تا به بیماران پارکینسون یا صرع

یا بیماریهای دیگر که نزدیک
یک میلیارد نفر را

در دنیا درگیر کرده کمک کنیم.

اکنون، اتفاق جالبی در حال وقوع است.

مشخص شده که از طریق زیست داروها،

مشکلات دیگری را هم از طریق
این افزایش حجم میتوان درمان کرد.

این یک نمونه برداری واقعی
از یک بیمار سرطان سینه است.

مشخص شده که اگر به سرطانها توجه کنیم،

اگر به سیستم ایمنی توجه کنیم،

اگر به افزایش سن توجه کنیم،
اگر به سیر تکاملی توجه کنیم --

تمامی این فرایندها درگیر
ساختارهای زیستی بزرگی هستند.

اما مسلما، این مشکلات با آن مولکولهای
کوچک اندازه نانو آغاز میشوند،

دستگاههایی که موجب فعالیت
سلولها و اعضای بدن ما میشوند.

کاری که اکنون انجام میدهیم
این است که ببینیم آیا میشود

از این فناوری برای نقشه برداری از
اجزای سازنده حیات

در انواع بیماریها استفاده کنیم.

آیا واقعا میتوانیم تغییرات مولکولی
یک تومور را مشخص کنیم

تا هوشمندانهتر با آن مبارزه کنیم

و داروهایی برای حذف دقیق
سلولهایی که میخواهیم را فراهم کنیم؟

همانطور که میدانید،
خیلی از داروها خطرات بالایی دارند.

وبعضی اوقات
از راه گمانهزنی تهیه میشوند.

امیدوارم کاری که ممکن است
یک حدس پر خطر باشد را

تبدیل به چیزی مطمئنتر کنیم.

اگر به هدف اولیه انسان
در رسیدن به ماه فکر کنید،

وقتی که واقعا روی ماه نشستند،

این کار بر مبنای اصول دقیق علمی بود.

ما جاذبه را میشناختیم؛

ما ایرودینامیک را میدانستیم.

میدانستیم چطور موشک بسازیم.

خطرات علمی قابل مدیریت بود.

و همچنان یک موفقیت خیلی بزرگ مهندسی است.

اما در پزشکی،
لزوما همه این قوانین را نداریم.

آیا قوانینی مشابه جاذبه،

یا ایرودینامیک را داریم؟

من آن را مشابه فناوریهایی

که امروز دربارهاش صحبت کردم میدانم،

شاید واقعا بتوانیم آنها را ایجاد کنیم.

میتوانیم الگوهای ساختارهای زنده
را نقشه برداری کنیم،

و بفهمیم تا چطور بر بیماریهایی که
آزارمان میدهند غلبه کنیم.

من و همسرم، دو فرزند کوچک داریم،

و یکی از آرزوهایم به عنوان مهندس پزشکی
این است که زندگی را برایشان

از آنچه برایمان است بهتر کنم.

و امیدوارم، تا بتوانیم
زیست شناسی و پزشکی را

از این فعالیتهای پر خطر
که بر مبنای شانس و اقبال است،

تبدیل به کارهایی کنیم که در آنها
بر اساس مهارت و تلاش برنده میشویم،

پیشرفتی بسیار عظیم خواهد بود.

خیلی متشکرم.

(تشویق حضار)