Babyluiers inspireerden tot dit nieuwe type hersenstudie

Neuro-ingenieur Ed Boyden wil weten hoe de kleine biomoleculen in onze hersenen emoties, gedachten en gevoelens genereren -- en hij wil de moleculaire veranderingen vinden die leiden tot aandoeningen als epilepsie en de ziekte van Alzheimer. In plaats van deze onzichtbare structuren met een microscoop te vergroten, vroeg hij zich af: wat als we ze fysiek vergroten en makkelijker te zien maken? Dezelfde polymeren die worden gebruikt om luiers te doen zwellen, zouden een sleutel tot een beter begrip van onze hersenen kunnen zijn.

Hallo iedereen.

Ik heb een babyluier bij me.

Je ziet dadelijk waarom.

Luiers hebben interessante eigenschappen.

Ze kunnen enorm opzwellen
als je er water aan toevoegt,

een experiment dat miljoenen kinderen
elke dag weer uitvoeren.

(Gelach)

Ze zijn op een heel
slimme manier ontworpen.

Ze bevatten 'opzwelbaar' materiaal.

Wanneer je er water aan toevoegt,

gaat het enorm zwellen,

het volume kan misschien
wel verduizendvoudigen.

Dit is een zeer handig,
industrieel soort polymeer.

Maar mijn groep aan het MIT

probeert erachter te komen
of we dat ook met hersenen kunnen.

Kunnen we ze groter maken,

naar binnen gluren

en de bouwstenen,
de biomoleculen, bekijken?

Hoe zijn ze georganiseerd
in de drie dimensies?

Hoe is hun structuur, de basisstructuur
van de hersenen, als je wil?

Als we dat voor elkaar kunnen krijgen,

gaan we beter weten
hoe de hersenen zijn georganiseerd

om gedachten, emoties,

acties en sensaties op te leveren.

Misschien kunnen we de veranderingen
in de hersenen lokaliseren

die leiden tot ziekten,

ziekten zoals Alzheimer,
epilepsie en Parkinson,

waarvoor er weinig behandelingen
en nog minder geneesmiddelen bestaan,

en waarvan we vaak niet eens
de oorzaak of de oorsprong kennen

en wat ze echt veroorzaakt.

Onze groep aan het MIT

probeert er op een andere
manier naar te kijken

dan de neurowetenschappen
in de afgelopen honderd jaar.

Wij zijn ontwerpers, uitvinders.

We proberen technologieën te ontwerpen

die ons toelaten de hersenen
te bekijken en te repareren.

Dat doen we omdat de hersenen
ongelooflijk ingewikkeld zijn.

De eerste 100 jaar neurowetenschappen
hebben ons geleerd

dat de hersenen een zeer
ingewikkeld netwerk zijn

van zeer gespecialiseerde cellen,
neuronen genoemd,

met zeer complexe geometrieën.

Er vloeien elektrische stromen
door deze complex gevormde neuronen.

Bovendien zijn neuronen
in netwerken verbonden

door kleine koppelingen, synapsen genaamd,

die de stoffen uitwisselen

waarmee de neuronen met elkaar praten.

De concentratie ervan
in de hersenen is ongelooflijk.

In één kubieke millimeter van je hersenen

vind je ongeveer 100.000 neuronen

en misschien een miljard verbindingen.

Maar het is nog erger.

Als je zou kunnen inzoomen op een neuron

-- hier in een artistieke impressie --

zou je duizenden soorten
biomoleculen zien,

kleine nanoschaal machines,
georganiseerd in complexe 3D-patronen.

Samen zorgen ze
voor de elektrische pulsen,

de chemische uitwisselingen
waardoor neuronen samenwerken

om gedachten, gevoelens
enzovoort te genereren.

We weten niet hoe de neuronen
in de hersenen zijn georganiseerd,

hoe ze netwerken vormen,

of hoe de biomoleculen zijn georganiseerd

binnen de neuronen

om die complexe,
georganiseerde machines te vormen.

Als we dit echt willen begrijpen,

hebben we nieuwe technologieën nodig.

Als we zulke plattegronden konden krijgen,

als we konden kijken
naar de organisatie van de moleculen,

neuronen en netwerken,

zouden we misschien begrijpen
hoe de hersenen informatie overbrengen

van zintuiglijke gebieden,

ze mengen met emotie en gevoel,

en onze beslissingen en acties genereren.

Misschien kunnen we dan
de moleculaire veranderingen lokaliseren

die optreden bij een hersenaandoening.

Als we weten hoe
die moleculen zijn veranderd,

of ze in aantal toenamen
of in patroon wijzigden,

kunnen we ze gebruiken
als doelen voor nieuwe medicijnen,

voor nieuwe manieren
om energie aan de hersenen te leveren

die de breinwerking moeten repareren

bij patiënten met hersenaandoeningen.

We hebben in de afgelopen eeuw
allerlei technologieën gezien

die hier iets aan probeerden te doen.

We kennen allemaal wel
hersenscans door MRI-machines.

Belangrijk is natuurlijk
dat die non-invasief zijn,

ze kunnen worden gebruikt
op levende menselijke proefpersonen.

Maar ze zijn ook ruimtelijk niet precies.

Elk van deze vlekken, of 'voxels',

kan miljoenen neuronen bevatten.

Het is dus niet het niveau van resolutie

om moleculaire veranderingen
te kunnen lokaliseren

of veranderingen in de bedrading
van deze netwerken

die ervoor zorgen dat we bewuste
en machtige wezens zijn.

Aan de andere zijde heb je microscopen.

Microscopen gebruiken licht
om naar hele kleine dingen te kijken.

Eeuwenlang dienden ze
om te kijken naar dingen als bacteriën.

Door microscopen hebben we
zo'n 130 jaar geleden de neuronen ontdekt.

Maar licht is fundamenteel beperkt.

Je kunt geen individuele moleculen zien
met een gewone oude microscoop.

Je kunt er deze kleine
verbindingen niet mee zien.

Als we een betere manier willen
om naar de hersenen te kijken,

om hun basisstructuur te zien,

hebben we betere technologieën nodig.

Een paar jaar geleden bedacht mijn groep

dat we net het omgekeerde moesten doen.

Als het zo moeilijk is
om in te zoomen op de hersenen,

waarom de hersenen dan niet groter maken?

Het begon aanvankelijk

met twee studenten in mijn groep,
Fei Chen en Paul Tillberg.

Nu helpen vele anderen
in mijn groep met dit proces.

We besloten te proberen
erachter te komen of we polymeren,

dat materiaal in babyluiers,

fysiek in de hersenen konden inbouwen.

Doen we dat goed
en we voegen water toe,

zou je de hersenen kunnen laten opzwellen

zodat je die kleine biomoleculen
van elkaar zou kunnen onderscheiden.

Je kon dan de verbindingen zien
en hersenkaarten maken.

Dit zou heel dramatisch kunnen zijn.

Hier zie je een kleine demo.

We hebben hier
wat gezuiverd babyluiermateriaal.

Je kan het makkelijker
op het internet kopen

dan het uit de luiers halen.

Ik doe hier een theelepel

van het gezuiverde polymeer in.

En dan wat water.

We gaan bekijken

of deze theelepel luiermateriaal

in omvang kan toenemen.

Je ziet dat het volume
ongeveer duizend keer groter wordt.

Ik kon er nog veel meer bij gieten,

maar je snapt het idee.

Dit is een zeer interessante molecule,

en als we ze op de
juiste manier gebruiken,

kunnen we misschien
inzoomen op de hersenen

op een manier die met de vroegere
technologieën niet mogelijk was.

Oké.
Nu een beetje chemie.

Wat gebeurt er in het luierpolymeer?

Als je kon inzoomen,

zou het er misschien
als iets op het scherm uitzien.

Polymeren zijn ketens van atomen
in lange, dunne lijnen gerangschikt.

Die ketens zijn erg klein,

de breedte van één biomolecuul,

en die polymeren
zitten echt dicht op elkaar.

Ze liggen op ongeveer de grootte
van een biomolecuul van elkaar.

Dit komt goed uit.

We kunnen daardoor bijna alles

in de hersenen
uit elkaar kunnen halen.

Als we water toevoegen,

gaat dit zwelbaar materiaal water opnemen,

de polymeerketens gaan uit elkaar

en het gehele materiaal zal uitzetten.

Omdat deze ketens zo klein zijn

en op biomoleculaire afstanden
van elkaar liggen,

zouden we de hersenen kunnen opblazen

en groot genoeg maken om ze te bekijken.

Hier is het vraagstuk:

hoe kunnen we deze polymeerketens
in de hersenen aanmaken

om de biomoleculen
uit elkaar te laten bewegen?

Als we dat zouden kunnen,

kunnen we hersenkaarten maken.

We zouden de bedrading zien,

naar binnen turen
en de moleculen bekijken.

Met wat animaties leggen we dit uit.

We kijken aan de hand
van artistieke impressies

hoe de biomoleculen eruit zien
en hoe we ze kunnen scheiden.

Stap één: wat we in de eerste plaats
zouden moeten doen,

is aan elk biomolecuul,
hier getoond in het bruin,

een klein anker, een hendeltje, hechten.

We moeten de moleculen
van de hersenen uit elkaar trekken.

Daarvoor moeten we een handvat hebben

waarmee die polymeren ze kunnen binden

en kracht uitoefenen.

Als je alleen maar polymeer zou nemen
en het op de hersenen zou gooien,

zal het er natuurlijk
bovenop blijven liggen.

We moeten de polymeren
echt in de hersenen kunnen plaatsen.

En daar hebben we echt geluk.

Ja kan de bouwstenen
of monomeren, zoals ze heten,

in de hersenen brengen

en de chemische reacties inleiden,

waardoor ze die lange ketens gaan vormen

in het hersenweefsel.

Ze winden zich rond de biomoleculen

en tussen de biomoleculen,

vormen complexe webben

waarmee je uiteindelijk
de moleculen uit elkaar kan trekken.

Telkens als een van die
kleine handvatten in de buurt is,

zal het polymeer zich eraan binden
en dat is precies wat we nodig hebben

om de moleculen uit elkaar te trekken.

Oké, het moment van de waarheid.

We moeten dit exemplaar
met een chemische stof behandelen

om de moleculen wat uit elkaar te halen.

Als we dan water toevoegen,

gaat dat zwelbaar materiaal
het water absorberen,

de polymeerketens gaan uit elkaar,

maar nu gaan de biomoleculen meebewegen.

Net alsof je een tekening
maakt op een ballon

en dan de ballon opblaast,

blijft het beeld hetzelfde,

maar bewegen de inktdeeltjes uit elkaar.

Dat konden we nu doen,
maar in drie dimensies.

Er is nog een laatste truc.

Je kunt zien dat de biomoleculen
bruin zijn weergegeven.

Dat komt omdat ze er
allemaal hetzelfde uitzien.

Biomoleculen zijn gemaakt
van dezelfde atomen,

alleen wel anders verbonden.

Daarom nog een laatste ding

om ze zichtbaar te maken.

We brengen kleine markeringen aan

met oplichtende kleurstoffen
die hen onderscheiden.

Zo krijgt de ene soort biomolecuul
een blauwe kleur

en een andere soort een rode.

Enzovoorts.

Dat is de laatste stap.

Nu kunnen we
naar iets als een brein kijken

en de individuele moleculen zien,

omdat we ze ver genoeg
uit elkaar hebben gehaald

om ze te kunnen onderscheiden.

We hopen zo het onzichtbare
zichtbaar te maken.

We kunnen dingen
die klein en obscuur lijken,

opblazen tot constellaties
van informatie over het leven.

Deze video toont
hoe het eruit zou kunnen zien.

We hebben hier een beetje
hersenen in een schotel --

een klein stukje.

We hebben het polymeer erin gevormd

en voegen water toe.

Je ziet dat --

deze video is 60 maal versneld --

dit kleine stukje hersenweefsel
is gaan groeien.

Het volume kan meer
dan honderdmaal groter worden.

Het leuke is dat deze
polymeren zo klein zijn,

dat we de biomoleculen
gelijkmatig van elkaar scheiden.

Het is een gelijkmatige uitzetting.

De configuratie van de informatie
gaat niet verloren.

We maken ze gewoon makkelijker te zien.

Nu kunnen we hersenencircuits nemen --

hier zoomen we in op een stukje brein
dat zich bezig houdt met geheugen.

We kunnen nu kijken
naar hoe circuits zijn geconfigureerd.

Misschien kunnen we
ooit een herinnering uitlezen.

Of kijken hoe circuits zijn geconfigureerd

om emoties te verwerken,

hoe de werkelijke bedrading
van onze hersenen is georganiseerd

om ons maken tot wie we zijn.

En hopelijk kunnen we
de werkelijke problemen in de hersenen

ooit lokaliseren op moleculair niveau.

Wat als we in de cellen
van de hersenen konden kijken

en vaststellen dat er, wow,
17 moleculen zijn veranderd

bij hersenweefsel van iemand met epilepsie

of met de ziekte van Parkinson

of op enige andere wijze?

Als we een systematische lijst
van fouten kunnen aanleggen,

worden dat onze therapeutische doelen.

Nieuwe geneesmiddelen
kunnen zich eraan binden.

Of energie richten
op delen van de hersenen

om mensen met Parkinson
of epilepsie te helpen,

of voor andere ziektes waar meer
dan een miljard mensen

over heel de wereld aan lijden.

Nu is er iets interessants gebeurd.

Het blijkt dat er
in de gehele medische biologie

nog andere problemen zijn
waar dat opzwellen kan helpen.

Dit is een biopsie
van een menselijke borstkankerpatiënt.

Kanker,

het immuunsysteem,

het verouderen, de ontwikkeling --

al deze processen hebben te maken
met grootschalige biologische systemen.

Maar de problemen beginnen natuurlijk
op nanoschaal, bij die kleine moleculen,

de machines die de cellen
en organen in het lichaam doen tikken.

We zouden deze technologie
willen gebruiken

om de bouwstenen van het leven
in kaart te brengen

voor een groot aantal ziekten.

Als we de moleculaire veranderingen
in een tumor kennen,

kunnen we hem wellicht
op een slimme manier aanpakken

en geneesmiddelen leveren
die de juiste cellen vernietigen.

Je weet dat veel geneeskunde
een zeer hoog risico inhoudt.

Soms is het zelfs giswerk.

Mijn hoop is dat we van een sprong
in het duister met een hoog risico,

iets kunnen maken dat betrouwbaarder is.

De eerste echte sprong in het duister,

toen ze landden op de maan,

was gebaseerd op solide wetenschap.

We begrepen de zwaartekracht,

de aerodynamica.

We wisten hoe raketten te bouwen.

Het wetenschappelijk risico
was onder controle.

Toch was het een geweldig
staaltje techniek.

Maar in de geneeskunde
kennen we alle wetten niet.

Kennen we alle wetten
analoog aan de zwaartekracht

of aan de aerodynamica?

Met de technologieën

waarover ik het vandaag heb,

gaan we ze misschien vinden.

We kunnen de patronen
in levende systemen in kaart brengen

om de ziekten die ons teisteren
te kunnen overwinnen.

Mijn vrouw en ik hebben twee kinderen

en ik hoop als bio-ingenieur
om hun leven beter te maken

dan het nu is voor ons.

Als we de biologie en de geneeskunde
kunnen veranderen

van hoog-risico ondernemingen
die worden geregeerd door toeval en geluk,

tot dingen die we kunnen winnen
door vaardigheid en hard werken,

dan zou dat een grote stap vooruit zijn.

Veel dank.

(Applaus)