I pannolini che hanno ispirato un nuovo metodo di studio del cervello

Il neuroigegnere Ed Boyden vuole sapere come le minuscole biomolecole nel nostro cervello generano emozioni, pensieri e sentimenti -- e vuole scoprire i cambiamenti molecolari che portano a malattie come l'epilessia e l'Alzheimer. Invece di ingrandire queste strutture invisibili con un microscopio, si è chiesto: e se le ingrandissimo fisicamente per vederle più facilmente? Guarda come gli stessi polimeri usati per far gonfiare i pannolini potrebbero essere la chiave per capire meglio il cervello.

Buongiorno a tutti,

oggi ho portato con me un pannolino.

Tra un attimo vedrete perché.

I pannolini hanno proprietà interessanti.

Possono gonfiarsi enormemente
se aggiungete acqua,

un esperimento fatto
da milioni di bambini ogni giorno.

(Risate)

Ma il motivo

è che sono progettati
in modo molto intelligente.

Sono fatti di un materiale che si dilata.

È un materiale speciale
che, aggiungendo acqua,

si dilata ernormemente,

anche 1000 volte il suo volume.

È un tipo di polimero industriale
molto utile.

Quello che stiamo cercando di fare
nel mio gruppo al MIT

è capire se possiamo fare
qualcosa di simile al cervello.

Possiamo ingrandirlo,

tanto da poterci sbirciare dentro

e vedere tutti i mattoncini,
le biomolecole,

come sono organizzate in tre dimensioni,

la struttura vera e propria
del cervello?

Se potessimo farlo,

forse potremmo capire meglio
come è organizzato il cervello

per raccogliere pensieri e emozioni,

azioni e sensazioni.

Potremmo cercare di localizzare
gli esatti cambiamenti nel cervello

che generano malattie,

malattie come l'Alzheimer,
l'epilessia e il Parkinson,

per cui ci sono pochi trattamenti,
e molte meno cure,

e di cui, molto spesso,
non sappiamo la causa o le origini

e cosa realmente le scateni.

Il nostro gruppo al MIT

sta cercando un punto di vista diverso

da quello della neuroscienza
degli ultimi cento anni.

Siamo designer. Siamo inventori.

Stiamo cercando di capire
come costruire tecnologie

che ci facciano osservare
e riparare il cervello.

E il motivo è

che i cervello
è incredibilmente complicato.

Quello che abbiamo imparato
nell'ultimo secolo di neuroscienze

è che il cervello è una rete
molto complicata,

fatta di cellule molto specializzate
chiamate neuroni

con geometrie molto complesse,

una corrente elettrica scorre attraverso
questi neuroni dalle forme complesse.

Inoltre, i neuroni sono collegati in reti.

Sono collegati da piccoli collegamenti
chiamate sinapsi

che si scambiano elementi chimici

e permettono ai neuroni di parlarsi.

La densità del cervello è incredibile.

In un millimetro cubo del vostro cervello,

ci sono circa 100 000 neuroni

e forse un miliardo di queste connessioni.

Ma c'è di peggio.

Se si potesse zoomare su un neurone,

e, certo, questa è
una rappresentazione artistica.

Vedreste migliaia e migliaia
di tipi di biomolecole,

piccole macchine in nanoscala
organizzate in schemi 3D complessi,

e insieme mediano
questi impulsi elettrici,

questi scambi chimici che permettono
ai neuroni di lavorare insieme

per generare cose
come pensieri e sensazioni.

Non sappiamo come siano organizzati
i neuroni nel cervello

per formare reti,

e non sappiamo
come siano organizzate le biomolecole

all'interno dei neuroni

per formare queste macchine complesse.

Se vogliamo veramente capirlo,

ci serviranno nuove tecnologie.

Ma se potessimo avere queste mappe,

se potessimo osservare
l'organizzazione di molecole e neuroni

e neuroni e reti,

forse potremmo veramente capire
come il cervello trasmette informazioni

dalle regioni sensoriali,

le mescola con emozioni e sentimenti,

e genera decisioni e azioni.

Forse potremmo definire l'esatta serie
di cambiamenti molecolari che accadono

in una malattia del cervello.

Una volta che sappiamo
come sono cambiate queste molecole,

che ne sia aumentato il numero
o che sia cambiato lo schema,

potremmo usarle
come obiettivo di nuovi farmaci,

per nuovi metodi
per dare energia al cervello

per riparare
le elaborazioni del cervello colpite

in pazienti che soffrono
di malattie del cervello.

Abbiamo tutti visto
diverse tecnologie del secolo scorso

per combattere tutto questo.

Credo abbiamo tutti visto
le TAC al cervello

fatte tramite risonanza magnetica.

Naturalmente, hanno il grande pregio
di essere non invasive,

possono essere usate su soggetti vivi.

Ma sono anche spazialmente molto grezze.

Ognuna di queste macchie che vedete,
o voxel, come li chiamano,

può contenere
milioni e milioni di neuroni.

Non è al livello di risoluzione

che può localizzare
i cambiamenti molecolari

o i cambiamenti
nelle comunicazioni di queste reti

che contribuiscono alla nostra capacità
di esseri coscienti e potenti.

All'altro estremo, ci sono i microscopi.

I microscopi useranno la luce
per osservare cose minuscole.

Per secoli, sono stati usati
per osservare cose come i batteri.

Per la neuroscienza,

i microscopi hanno consentito
la scoperta dei neuroni,

circa 130 anni fa.

Ma la luce è sostanzialmente limitata.

Non si vedono le singole molecole
con un normale microscopio.

Non si vedono le minuscole connessioni.

Se vogliamo aumentare la nostra capacità
di analizzare il cervello,

per andare
fino alla struttura vera e propria,

ci serviranno tecnologie migliori.

Il mio gruppo, un paio di anni fa,
ha cominciato a pensare:

perché non facciamo l'opposto?

Se è così complicato zoomare nel cervello,

perché non ingrandiamo il cervello?

È iniziato

con due studenti del mio gruppo,
Fei Chen e Paul Tillberg.

Molti altri nel mio gruppo
stanno aiutando.

Abbiamo deciso di cercare di capire
se potevamo prendere polimeri,

quella roba dei pannolini,

e installarli fisicamente nel cervello.

Se potessimo farlo bene,
e aggiungete acqua,

potenzialmente
si può far esplodere il cervello

al punto da poter distinguere
le minuscole biomolecole.

Si vedrebbero le connessioni
e si farebbe una mappa del cervello.

Potrebbe essere abbastanza drammatico.

Abbiamo portato una piccola demo.

Abbiamo del materiale
da pannolino purificato.

È molto più facile comprarlo su Internet

che estrarre i granellini dai pannolini.

Ne metto qui solo un cucchiaino

di questo polimero purificato.

Ecco qua un po' d'acqua.

Quello che faremo

è vedere se questo cucchiaino
di materiale da pannolino

può aumentare in dimensione.

Lo vedrete aumentare
di volume di circa 1000 volte

davanti ai vostri occhi.

Potrei versarne molto di più,

ma penso che renda l'idea

che è una molecola molto interessante,

se riesco a usarla nel modo giusto,

potremmo essere in grado
di zoomare nel cervello

come non si è mai fatto prima
con le tecnologie del passato.

Ok. Ora un po' di chimica.

Cosa succede al polimero del pannolino?

Potendo zoomare,

lo vedreste come appare sullo schermo.

I polimeri sono catene di atomi
organizzate in linee lunghe e sottili.

Le catene sono minuscole,

la larghezza di una molecola,

e questi polimeri sono molto densi.

Le separa

la dimensione di una biomolecola.

Va molto bene

perché potremmo potenzialmente
spostare tutto nel cervello.

Se aggiungiamo acqua,

questo materiale gonfiabile
assorbirà l'acqua,

le catene dei polimeri
si allontaneranno tra loro,

e l'intero materiale
diventerà più grande.

E siccome queste catene
sono molto piccole

e a distanze biomolecolari,

potremmo potenzialmente
esplodere il cervello

e renderlo abbastanza grande da vedere.

Allora, ecco il mistero:

come mettiamo
queste catene di polimeri nel cervello

in modo da allontanare le biomolecole?

Se potessimo farlo,

potremmo ottenere
una mappa realistica del cervello.

Potremmo analizzare i collegamenti.

Possiamo osservare all'interno
e vedere le molecole.

Per spiegarlo,
abbiamo fatto delle animazioni

in cui guardiamo,
in queste rappresentazioni artistiche,

come potrebbero essere le biomolecole
e come potremmo separarle.

Fase uno: quello che dovremmo fare,
prima di tutto,

è connettere tutte le biomolecole,
qui in marrone,

a una piccola ancora,
una piccola maniglia.

Dobbiamo allontanare
le molecole del cervello,

e per fare questo,
serve una piccola maniglia

che permetta ai polimeri di attaccarsi

e esercitare la loro forza.

Un polimero di pannolino
buttato nel cervello,

ovviamente, se ne starà lì sopra.

Dobbiamo trovare un modo
di fare entrare il polimero.

Qui siamo fortunati.

Si possono prendere i mattoni,

monomeri, come li chiamano,

e se si lasciano andare nel cervello

e scatenare le reazioni chimiche,

si possono far formare lunghe catene,

proprio dentro il tessuto cerebrale.

Si faranno strada intorno alle biomolecole

e tra le biomolecole,

formando queste reti complesse

che permetteranno,
alla fine, di allontanare le molecole

l'una dall'altra.

E ogni volta che compare
una di queste maniglie,

i polimeri vi si attaccano,
ed è quello che ci serve

per allontanare le molecole
l'una dall'altra.

Il momento della verità.

Dobbiamo trattare questo esemplare

con una sostanza chimica
per allentare le molecole,

e poi, quando aggiungiamo acqua,

quel materiale dilatabile
comincerà ad assorbirla,

le catene di polimeri
si allontaneranno,

ma ora, le biomolecole
arriveranno per il giretto.

È come disegnare su un pallone,

e poi gonfiare il pallone,

l'immagine è la stessa,

ma le particelle di inchiostro
si sono allontanate l'una dall'altra.

Questo è quel che siamo riusciti a fare,
ma in tre dimensioni.

C'è un ultimo trucco.

Come vedete qui,

abbiamo colorato
tutte le biomolecole in marrone.

Questo perché si assomigliano tutte.

Le biomolecole sono fatte
degli stessi atomi,

solo in ordini diverso.

Ci serve un'ultima cosa

per renderle visibili.

Dobbiamo prendere
delle piccole etichette,

di colore brillante che le distingua.

Un tipo di biomolecola
potrebbe avere un blu.

Un altro tipo di biomolecola
potrebbe prendere il rosso.

E così via.

Questa è la fase finale.

Ora possiamo osservare un cervello

e analizzare le singole molecole,

perché le abbiamo allontanate
abbastanza l'una dall'altra

da poterle distinguere.

La speranza
è rendere visibile l'invisibile.

Possiamo trasformare cose
apparentemente piccole e oscure

e esploderle

finché non sono come costellazioni
di informazioni sulla vita.

Ecco un video di come potrebbe essere.

Qui abbiamo un piccolo cervello
in un piattino --

un pezzetto di cervello.

Abbiamo infuso il polimero,

ora aggiungiamo acqua.

Quello che vedrete
è che davanti ai vostri occhi --

questo video è accelerato di 60 volte --

questo pezzetto
di tessuto cerebrale crescerà.

Può aumentare di volume
di 100 volte o anche di più.

La cosa bella è che siccome
questi polimeri sono così piccoli,

stiamo separando biomolecole
uniformemente.

È un'espansione fluida.

Non stiamo perdendo la configurazione
delle informazioni.

Lo rendiamo solo più facile da vedere.

Ora possiamo prendere
un vero circuito cerebrale --

Ecco un pezzo di cervello
attinente alla memoria --

possiamo zoomare.

Possiamo iniziare a osservare
come sono configurati i circuiti.

Magari un giorno
potremo leggere la memoria.

Potremmo analizzare
come sono configurati i circuiti

nell'elaborazione delle emozioni,

come sono organizzati i circuiti
del nostro cervello

per renderci quello che siamo.

Naturalmente, possiamo definire,
lo spero,

i veri problemi del cervello
a livello molecolare.

E se potessimo osservare
all'interno delle cellule cerebrali

e scorprire, ecco le 17 molecole alterate

in questo tessuto cerebrale
che ha sofferto di epilessia

o sono cambiate
per i morbo di Parkinson

o sono cambiate per altri motivi?

Se otteniamo quella lista sistematica
di cose che vanno storto,

quelli diventano
i nostri target terapeutici.

Possiamo creare farmaci
che li uniscono.

Forse possiamo puntare all'energia
in diverse parti del cervello

per aiutare la gente
con il Parkinson o con l'epilessia

o altre malattie che colpiscono
più di un miliardo di persone

nel mondo.

Accade qualcosa di interessante.

Attraverso la biomedicina,

l'espansione potrebbe aiutare
per altri problemi.

Questa è una biopsia
di un cancro al seno di una paziente.

Osservando il cancro,

analizzando il sistema immunitario,

l'invecchiamento, lo sviluppo --

tutti i processi coinvolgono
sistemi biologici su larga scala.

Ma ovviamente, il problema inizia
con queste molecole in nanoscala,

le macchine che fanno scattare
le cellule e gli organi.

Stiamo cercando di capire

se possiamo usare queste tecnologia
per mappare i mattoni della vita

in una vasta gamma di malattie.

Possiamo definire
i cambiamenti molecolari in un tumore

in modo da dargli la caccia
in modo intelligente

e somministrare medicinali

che potrebbero spazzare via
le cellule giuste?

Molti medicinali sono ad alto rischio.

Talvolta si va anche per tentativi.

La mia speranza è che si possa
trasformare dei tentativi ad alto rischio

in qualcosa di più affidabile.

Se pensate al primo lancio sulla luna,

in cui sono poi atterrati sulla luna,

era basato su scienza valida.

Abbiamo capito la gravità;

abbiamo capito l'aerodinamica.

Sapevamo come costruire razzi.

I rischi scientifici
erano sotto controllo.

È stata comunque
una grande impresa ingegneristica.

Ma in medicina,

non abbiamo necessariamente
tutte le leggi.

Abbiamo tutte le leggi
analoghe alla gravità,

analoghe all'aerodinamica?

Sono piuttosto dell'idea
che con le tecnologie

del tipo di cui sto parlando oggi,

possiamo forse ricavarle.

Possiamo mappare gli schemi
dei sistemi viventi,

e capire come sconfiggere
le malattie che ci affliggono.

Mia moglie ed io abbiamo due bambini,

una delle mie speranze da bioingegnere

è rendere loro la vita migliore

di quanto non lo sia per noi.

La mia speranza è, se possiamo
trasformare la biologia e la medicina

da tentativi ad alto rischio
controllati dal caso e dalla fortuna,

e trasformarle in cose che vinciamo
con le capacità e il duro lavoro,

sarebbe un enorme progresso.

Grazie infinite.

(Applausi)