Jak pieluchy zainspirowały nowy sposób badań nad mózgiem

Neuroinżynier Ed Boyden chciał wiedzieć, jak małe biocząsteczki w mózgu tworzą emocje, myśli i uczucia, chciał znaleźć molekularne zmiany, które prowadzą do zaburzeń takich jak epilepsja czy Alzheimer. Zamiast powiększać te niewidoczne konstrukcje mikroskopem, zastanowił się czy da się je fizycznie powiększyć, żeby były łatwiejsze do zobaczenia? Dowiedz się, jak te same polimery, które pęcznieją pieluszkach, mogą być użyte do lepszego zrozumienia mózgu.

Witam wszystkich.

Przyniosłem ze sobą dziecięcą pieluchę.

Za chwilę zobaczycie dlaczego.

Pieluszki mają ciekawe właściwości.

Mogą niesamowicie pęcznieć,
kiedy poleje się je wodą,

to eksperyment robiony
przez miliony dzieciaków każdego dnia.

(Śmiech)

Powodem tego jest

mądry sposób ich zaprojektowania.

Wyprodukowane są
z pęczniejącego materiału.

To rodzaj tworzywa,
który po dodaniu wody

niesamowicie pęcznieje,

zwiększając objętość może tysiąc razy.

Przydatny, przemysłowy rodzaj polimeru.

Z moją grupą w MIT staramy się

znaleźć sposób, by zrobić
coś podobnego z mózgiem.

Czy możemy go zwiększyć,

na tyle, by móc go oglądać,

widzieć wszystkie małe części,
biocząsteczki,

jak są ułożone w trzech wymiarach,

czyli rzeczywistą strukturę mózgu?

Gdyby się to udało,

może lepiej zrozumielibyśmy,
jak mózg jest zorganizowany,

by rodził myśli i emocje,

działania i doznania.

Można by sprecyzować
dokładne zmiany w mózgu,

które powodują choroby,

takie jak Alzheimer, epilepsja, Parkinson,

na które jest mało kuracji,
w dodatku nieskutecznych.

Bardzo często nie znamy
ich przyczyn i pochodzenia,

co naprawdę je wywołuje.

Nasza grupa w MIT

stara się spojrzeć inaczej

niż robiła to neurobiologia
przez ostatnie sto lat.

Jesteśmy twórcami. Pionierami.

Próbujemy wymyślić technologie,

które pozwolą oglądać i naprawiać mózg.

Powodem jest

niewiarygodna zawiłość mózgu.

Pierwszy wiek neurobiologii nauczył nas,

że mózg jest skomplikowaną siecią,

zbudowaną z wyspecjalizowanych
komórek - neuronów,

o bardzo złożonym kształcie,

przez które płynie napięcie elektryczne.

Co więcej, neurony łączą się w sieci

przez małe skrzyżowania zwane
synapsami, które wymieniają substancje,

pozwalając neuronom porozumiewać się.

Ich gęstość w mózgu jest niesamowita.

W milimetrze sześciennym mózgu

znajduje się około 100 000 neuronów

oraz z miliard połączeń.

To jednak nie koniec.

Gdyby dało się powiększyć neuron,

to oczywiście tylko
artystyczna interpretacja,

zobaczylibyśmy tysiące
rodzajów biocząsteczek,

malutkie nanomaszyny, ułożone
w skomplikowane, trójwymiarowe wzory.

Wspólnie pośredniczą
w elektrycznych impulsach,

chemicznych wymianach,
które pozwalają neuronom wspólnie działać,

generując na przykład myśli i emocje.

Nie wiemy jak ułożone są neurony w mózgu,

by tworzyły sieci,

nie wiemy jak biocząsteczki
są zorganizowane

w neuronach,

by tworzyły złożone, ułożone maszyny.

Żeby naprawdę to zrozumieć,

potrzeba nowych technologii.

Mając takie mapy,

mogąc spojrzeć na rozkład
cząsteczek i neuronów

oraz sieci,

może dałoby się zrozumieć,
jak mózg przekazuje informacje

ze stref czuciowych,

mieszając je z emocjami i uczuciami,

tworząc decyzje i zachowania.

Może dałoby się sprecyzować
dokładny zespół molekularnych zmian

w schorzeniach mózgu.

Wiedząc, jak molekuły się zmieniły,

czy zrobiło się ich więcej
lub zmieniły wzór,

można by użyć ich
jako celów dla nowych leków,

dla nowoczesnego
dostarczania energii do mózgu,

by naprawić zaburzone funkcje

u pacjentów, którzy cierpią
na choroby mózgu.

Ostatnie sto lat przyniosło
wiele różnych technik,

które miały się z tym uporać.

Chyba każdy widział obrazy mózgu,

zrobione metodą rezonansu magnetycznego.

To wspaniałe maszyny, bo są nieinwazyjne,

mogą ich używać na żywych ludziach.

Są jednak przestrzennie toporne.

Każda z tych plam, czyli woksli,

może zawierać miliony neuronów.

To nie jest rozdzielczość,

która pozwoliłaby ustalić
położenie molekularnych zmian

lub zmian w instalacji tych sieci,

dzięki którym jesteśmy
świadomymi i silnymi istotami.

Z drugiej strony są mikroskopy.

Korzystają ze światła,
by patrzeć na małe rzeczy.

Od wieków były używane,
by oglądać na przykład bakterie.

W neurobiologii

to dzięki mikroskopom
odkryto pierwsze neurony

około 130 lat temu.

Światło jest zasadniczo ograniczone.

Nie można zobaczyć poszczególnych cząstek
zwykłym, starym mikroskopem.

Nie widać tych malutkich połączeń.

Żeby ulepszyć oglądalność mózgu,

dobrać się do rzeczywistej struktury,

potrzeba jeszcze lepszej technologii.

Moja grupa kilka lat temu zaczęła myśleć,

że może trzeba postąpić na odwrót.

Skoro tak trudno powiększyć obrazu mózgu,

może zwiększyć sam mózg?

Sprawę zapoczątkowali

dwaj absolwenci z mojej grupy:
Fei Chen oraz Paul Tillberg.

Teraz wielu innych w grupie
pomaga w tym procesie.

Postanowiliśmy znaleźć sposób
na wzięcie polimerów,

takich jak w pieluszkach,

i umieszczenie ich w mózgu.

Jeśli się uda to po dodaniu wody,

mózg teoretycznie by się nadmuchał,

na tyle, by móc odróżnić
małe biocząsteczki od siebie.

Zobaczylibyście połączenia,
otrzymalibyście mapy mózgu.

To potencjalnie duża rzecz.

Mamy tutaj małą demonstrację.

Jest to oczyszczone tworzywo z pieluchy.

Łatwiej je kupić przez Internet

niż wydobyć odrobinę tych ziaren,
które znajdują się w pieluchach.

Nasypię tutaj tylko jedną łyżeczkę

oczyszczonego polimeru.

Tu znajduje się woda.

Zamierzamy sprawdzić,

czy łyżeczka tworzywa z pieluchy

powiększy się.

Widać, że objętość wzrasta tysiąckrotnie

na waszych oczach.

Mógłbym nalać dużo więcej wody,

ale chyba zrozumieliście zamysł,

że jest to bardzo interesująca substancja.

Jeśli użyje się jej prawidłowo,

można naprawdę powiększyć mózg,

w sposób niemożliwy
dla poprzednich technologii.

Dobrze. Teraz trochę chemii.

Co dzieje się z polimerem?

Po przybliżeniu obraz wyglądałby

mniej więcej jak na ekranie.

Polimery to łańcuchy atomów
ustawione w długie, wąskie rzędy.

Łańcuchy są bardzo małe,

o szerokości biocząsteczki,

a polimery są bardzo gęste.

Dzieli je odległość

rozmiaru biocząsteczki.

To jest przydatne,

bo teoretycznie można
wszystko w mózgu porozdzielać.

Po dodaniu wody

pęczniejące tworzywo zaabsorbuje ją,

łańcuchy polimeru odsuną się od siebie,

a cały materiał zacznie rosnąć.

Ponieważ łańcuchy są tak małe,

oddzielone o biomolekularne odległości,

można by nadmuchać mózg,

i powiększyć do widzialnych rozmiarów.

A teraz zagadka.

Jak umieścić w mózgu łańcuchy polimerów,

żeby rozsunąć biocząsteczki?

Jeśli to by się udało,

można by otrzymać rzeczywistą mapę mózgu.

Byłoby widać okablowanie.

Można by zajrzeć do środka,
oglądać cząsteczki od wewnątrz.

Żeby to wyjaśnić, zrobiliśmy animację,

żeby pokazać możliwy obraz bioczątsteczek

oraz metody ich separacji.

Po pierwsze wszystkie biocząsteczki

pokazane tu na brązowo,

muszą dostać kotwiczkę, mały uchwyt.

Żeby odciągnąć molekuły od siebie

potrzebujemy uchwytów,

które połączą polimery

i pomogą im wywierać siłę.

Gdyby posypać mózg polimerem z pieluchy,

zostanie oczywiście na powierzchni.

Trzeba znaleźć sposób,
żeby wprowadzić polimery do środka.

Akurat mamy szczęście.

Okazuje się, że można wziąć klocki,

czyli monomery,

które po wprowadzeniu do mózgu

zainicjują reakcje chemiczne,

tworząc długie łańcuchy polimerów

w środku tkanek mózgowych.

Będą owijać się wokół biocząsteczek

i między nimi,

tworząc skomplikowane sieci,

które w końcu pozwolą

odciągnąć cząsteczki od siebie.

W pobliżu uchwytów

polimer przyczepi się do nich,
czego właśnie potrzeba,

żeby odseparować cząsteczki.

A teraz chwila prawdy.

Trzeba potraktować
ten okaz chemikaliami tak,

żeby cząsteczki rozluźniły uchwyt.

Wtedy dodajemy wody,

żeby pęczniejący materiał
zaczął chłonąć wodę,

łańcuchy polimerów rozsuną się,

i teraz dołączą do gry biocząsteczki.

Jeśli nadmuchamy rysunek na balonie,

sam rysunek zostaje bez zmian,

ale cząstki tuszu odsuwają się od siebie.

Teraz umiemy zrobić to w trzech wymiarach.

Jest jeszcze jeden problem.

Jak widać,

oznaczyliśmy biocząsteczki na brązowo,

bo wszystkie wyglądają tak samo.

Biocząstki zbudowane są
z tych samych atomów,

lecz w różnej kolejności.

Potrzeba jeszcze czegoś,

żeby je uwidocznić.

Trzeba wprowadzić znaczniki
świecącymi kolorami,

które będą je rozróżniać.

Jedne biocząsteczki
można zaznaczyć na niebiesko.

Inne na czerwono.

I tak dalej.

To jest ostatni krok.

Teraz widać coś podobnego do mózgu,

i widać poszczególne cząstki,

bo rozsunęliśmy je na tyle,

że da się je odróżnić.

Chcemy zmienić niewidoczne w widzialne.

Możemy sprawić, by rzeczy małe i niejasne

zostały nadmuchane,

aż staną się konstelacjami
informacji o życiu.

Ten film pokazuje,
jak mogłoby to wyglądać.

Mamy tutaj móżdżek na szalce,

w zasadzie kawałek mózgu.

Wlaliśmy do niego polimer,

a teraz dodajemy wodę.

Na waszych oczach,

film został przyśpieszony 60-krotnie,

ten mały mały fragment
tkanki mózgowej zaczyna rosnąć.

Może zwiększyć objętość
100 razy, a nawet więcej.

Jako że polimery są tak małe,

rozdzielamy biocząsteczki równomiernie.

To daje płynny rozrost.

Nie tracimy ustawienia informacji.

Ułatwiamy tylko ich zobaczenie.

Weźmy prawdziwy zwój mózgowy.

Oto fragment mózgu,
zaangażowany, na przykład, w pamięć,

można go przybliżyć.

Można oglądać ustawienie obwodów.

Może któregoś dnia odczytamy wspomnienia.

Może uda się zobaczyć ułożenie obwodów

przetwarzających emocje,

prawdziwą organizację mózgu,

która definiuje naszą osobowość.

Przy odrobinie szczęścia
można by sprecyzować

problemy w mózgu
na poziomie cząsteczkowym.

Może dałoby się zajrzeć do komórek mózgu,

rozgryźć, że zaszła zmiana 17 cząsteczek

w tkance mózgu w wyniku epilepsji

lub z powodu Parkinsona

albo jeszcze innych powodów?

Mając uporządkowaną możliwych zaburzeń,

można obrać je za cel leczenia.

Tworzylibyśmy leki, które je wiążą.

Moglibyśmy celować energią
w różne części mózgu,

by pomagać ludziom
z Parkinsonem lub epilepsją,

lub z innymi schorzeniami,
które dotykają ponad miliarda ludzi

na całym świecie.

Dzieje się coś ciekawego.

Okazuje się, że także innym
problemom w biomedycynie

może pomóc nasze powiększanie.

Oto biopsja od pacjentki z rakiem piersi.

Okazuje się, że jeśli spojrzycie na raka,

na układ odpornościowy,

na starzenie się, na rozwój,

to te procesy obejmują
całe układy biologiczne.

Jednak problem zaczyna się
od nanocząsteczek,

maszyn, które napędzają
komórki i organy ciała.

Próbujemy dojść,

jak użyć tej techniki do odwzorowania
podstawowych elementów życia

w szerokiej gamie chorób.

Czy da się określić
molekularne zmiany w guzie,

żeby mądrze się z nim rozprawić,

dostarczyć leki, które wytępią
wybrane komórki?

Medycyna jest w dużej mierze
bardzo ryzykowna.

Czasami to wręcz spekulacja.

Mam nadzieję zamienić
ryzykowny lot na Księżyc

na coś bardziej niezawodnego.

Pierwszy lot na Księżyc

z udanym lądowaniem

był oparty na solidnej nauce.

Zrozumieliśmy grawitację,

aerodynamikę,

wiedzieliśmy, jak budować rakiety.

Ryzyko naukowe było pod kontrolą.

Jest to wielkie osiągnięcie inżynierii.

Natomiast w medycynie
nie mamy wszystkich praw.

Czy mamy prawa analogiczne do grawitacji

lub aerodynamiki?

Twierdzę, że dzięki takim technikom

jak te, o których mówię,

moglibyśmy odkryć takie prawa.

Możemy sporządzić
wzory żywych organizmów

i rozgryźć, jak przezwyciężyć
choroby, które nas nękają.

Mamy z żoną dwoje małych dzieci,

jednym z moich marzeń bioinżyniera
jest to, żeby miały lepsze życie

niż my obecnie.

Wierze, że przekształcenie
biologii i medycyny

z ryzykownych przedsięwzięć
rządzonych przez przypadek i szczęście,

na coś, co można wygrać
umiejętnościami i ciężką pracą,

to byłby wielki postęp.

Dziękuję bardzo.

(Brawa)