Scutecele de bebeluși au inspirat această nouă modalitate de a studia creierul

Bioinginerul Ed Boyden dorește să afle cum fac biomoleculele minuscule din creierul nostru să genereze emoții, gânduri și sentimente -- și să determine schimbările moleculare care pot rezulta în tulburări precum epilepsia sau Alzheimer.
În loc să apropie la microscop acele structuri invizibile, el s-a gândit: Dacă le-am putea mări dimensiunea ca să fie mai ușor de văzut? Aflați cum aceiași polimeri folosiți pentru a face ca scutecele de bebeluși să fie absorbabile, ar putea fi elementul cheie pentru o mai bună înțelegere a creierului nostru.

Bună ziua tuturor.

Azi am adus un scutec de bebeluș.

O să vedeți imediat de ce.

Scutecele au proprietăți interesante.

Se pot mări extrem de mult
la contactul cu apa,

experiment făcut zilnic
de milioane de copii.

(Râsete)

Dar motivul este acela

că sunt foarte inteligent gândite.

Sunt făcute dintr-un așa
numit material absorbant.

E un tip special de material
care, atunci când adaugi apă,

se umflă extrem de mult,

poate chiar și de o mie de ori în volum.

Iar acesta e un tip de polimer
industrial foarte util.

Dar ce încercăm noi să facem
în grupul meu la MIT

e să vedem dacă putem face
ceva asemănător cu creierul.

Îl putem mări destul

cât să ne putem uita
înăuntrul lui ca să vedem

toate acele părți constituente
minuscule, biomoleculele,

cum sunt organizate tridimensional,

și să vedem structura
creierului cu ochii noștri.

Dacă reușim asta,

am putea înțelege mai bine felul
în care creierul este organizat

pentru a produce emoții și gânduri,

acțiuni și senzații.

Poate putem repera
schimbările exacte în creier

care pot rezulta în boli

precum Alzheimer,
epilepsie sau Parkinson,

boli pentru care există puține tratamente,
și cu atât mai puține leacuri

și pentru care adesea
nu cunoaștem cauzele sau originea,

ori ce le face de fapt să apară.

Grupul nostru de la MIT

încearcă să vadă lucrurile
dintr-o nouă perspectivă

vizavi de ceea ce a reușit
neuroștiința în ultimul secol.

Suntem proiectanți, inventatori.

Încercăm să găsim o cale
de a crea tehnologii

care să ne permită să analizăm
și să reparăm creierul.

Iar motivul este acela

că creierul este
incredibil de complicat.

Ce am învățat de-a lungul
primului secol de neuroștiință

este că creierul e o rețea
foarte complicată

făcută din celule speciale
numite neuroni

care au o geometrie foarte complexă

și că prin acești neuroni cu forme
complexe trece curent electric.

Mai mult, neuronii
sunt conectați în rețele.

Sunt conectați prin niște joncțiuni
minuscule numite sinapse care fac schimb

de chimicale și permit neuronilor
să comunice între ei.

Densitatea creierului este incredibilă.

Într-un milimetru cub
din creierul vostru,

se află aproximativ 100.000 de neuroni

și poate chiar un miliard
de astfel de conexiuni.

Dar e chiar mai rău de atât.

Dacă ne-am uita îndeaproape la un neuron,

desigur, asta e doar
o redare artistică a unuia,

am vedea mii și mii
de tipuri de biomolecule,

mecanisme micuțe la scară nano,
organizate în structuri 3D complexe,

care împreună dirijează
acele impulsuri electrice,

acele schimburi de chimicale care
permit neuronilor să conlucreze

ca astfel să genereze gânduri,
sentimente și tot așa.

Nu știm cum neuronii din creier
sunt organizați

ca să formeze rețele

și nu știm cum biomoleculele
sunt organizate în neuroni

ca să formeze aceste mecanisme
complexe și organizate.

Dacă vrem să înțelegem cu adevărat,

vom avea nevoie de noi tehnologii.

Dar dacă am obține asemenea hărți,

dacă ne-am uita la organizarea
neuronilor și moleculelor,

a neuronilor și rețelelor,

poate chiar am înțelege
cum creierul transmite informația

de la zonele senzoriale,

le îmbină cu emoțiile și sentimentele

și ne generează acțiunile și deciziile.

Poate am putea localiza
modificările exacte ale moleculelor

care cauzează disfuncțiile creierului.

Și odată ce vom ști cum
s-au schimbat acele molecule,

fie că și-au mărit numărul,
fie că și-au schimbat structura,

le-am putea folosi
pentru a crea noi medicamente,

a găsi noi modalități
de transmitere a energiei la creier,

pentru a corecta greșelile
de calcul ale creierului

la pacienții care suferă
de disfuncții ale creierului.

În ultimul secol am văzut cu toții
fel și fel de tehnologii

care încearcă să abordeze asta.

Cred că am văzut cu toții
tomografii ale creierului

făcute cu ajutorul aparatelor RMN.

Acestea au o minunată caracteristică,
aceea că sunt neinvazive,

astfel că pot fi folosite pe oameni vii.

Dar sunt și foarte mari.

Fiecare dintre aceste
pete de cerneală, numite voxeli,

poate conține milioane
și milioane de neuroni.

Deci nivelul rezoluției

nu permite localizarea
schimbărilor moleculare care apar,

sau a schimbărilor de legături
ale acestor rețele

care contribuie la abilitatea noastră
de a fi ființe puternice și conștiente.

La cealaltă extremă, avem microscoapele.

Ele folosesc lumină
pentru a observa lucruri minuscule.

De secole au fost folosite
pentru a observa bacterii, de exemplu.

În domeniul neuroștiinței,

chiar microscoapele au permis
descoperirea neuronilor,

cam acum 130 de ani.

Dar lumina este limitată de la natura ei.

Nu poți vedea molecule
cu un oarecare microscop vechi.

Nu poți observa aceste
conexiuni minuscule.

Dacă vrem să ne formăm capacitatea
de a observa creierul mai în amănunt,

să ajungem să-l putem observa pe viu,

vom avea nevoie de tehnologii
chiar și mai avansate.

Acum câțiva ani, persista
o întrebare în grupul meu:

De ce nu facem opusul?

Dacă tot e atât de dificil
să observăm creierul îndeaproape,

de ce să nu-l facem mai mare?

Totul a început
cu doi studenți avansați

din grupul meu,
Fei Chen și Paul Tillberg.

Acum sunt mai mulți
care mă ajută la asta.

Ne-am decis să vedem
dacă e posibil să luăm polimer,

cum e acela din scutece,

și să-l introducem în creier.

Dacă am face asta
și apoi am adăuga apă,

practic am putea umfla creierul

la punctul în care să putem distinge
acele biomolecule minuscule.

Acele conexiuni ar fi vizibile
și am obține reprezentări ale creierului.

Asta ar putea fi chiar dramatic.

Am pregătit o demonstrație.

Avem aici un material
pentru scutece epurat.

E mult mai simplu
să-l cumperi de pe Internet

decât să extragi granulele
care se află în scutece.

Am să pun doar o linguriță

din acest polimer epurat.

Iar aici avem niște apă.

Ce vom face,

este să vedem dacă lingurița
cu materialul folosit pentru scutece

poate crește în volum.

O să vedeți că va crește
de o mie de ori în volum

chiar acum, în fața voastră.

Aș putea continua să torn,

dar cred că v-ați dat seama deja

că asta-i o moleculă extrem de interesantă

care dacă e folosită cum trebuie,

ne-ar putea permite să vedem
creierul îndeaproape

așa cum nicio altă tehnologie
nu ne-ar permite.

Acum, puțină chimie.

Ce se petrece în polimerul
pentru scutecele de bebeluș?

Dacă ați mări imaginea,

ați vedea ceva asemănător
cu ce se află pe ecran.

Polimerul e format din lanțuri de atomi
aranjați în linii subțiri și lungi.

Lanțurile sunt foarte micuțe,

cam de lățimea unei biomolecule,

iar acești polimeri sunt foarte denși.

Sunt separați de distanțe

cam de mărimea unei biomolecule.

Ăsta e un lucru foarte bun,

deoarece am putea separa
tot ce se află în creier.

Dacă adăugăm apă,

materialul absorbant o va absorbi,

lanțurile de polimer se vor distanța,

iar întregul material se va mări.

Deoarece aceste lanțuri
sunt foarte mici

și separate de distanțe biomoleculare,

am putea chiar să umflăm creierul

destul cât să vedem
ce se află în el.

Aici este misterul:

Cum am putea manipula
aceste lanțuri de polimer din creier

astfel încât să separăm toate moleculele?

Dacă am putea face asta,

poate am putea realiza
reprezentări ale creierului.

Ne-am putea uita la legături.

Am putea privi înăuntru
să vedem moleculele.

Pentru a explica mai bine,
am făcut câteva animații

în care vedem

cum ar arăta de fapt biomoleculele
și cum le-am putea separa.

Primul pas: mai întâi de toate,

trebuie să atașăm fiecare moleculă
reprezentată cu maro

unei ancore, unui mâner minuscul.

Trebuie să separăm moleculele
creierului una de alta,

iar pentru asta avem nevoie
de un mic mâner

care permite polimerilor
să se prindă de ele

și să le exercite forța.

Dacă am lua un polimer pentru scutece
și l-am pune în creier la întâmplare,

evident că va sta deasupra.

Așa că trebuie să găsim o cale
să facem polimerii înăuntru.

Iar aici suntem norocoși.

Se pare că se pot lua
părțile constituente,

monomerii,

și dacă le dai drumul în creier

ca apoi să înceapă reacțiile chimice,

aceștia pot forma acele lanțuri lungi

chiar înăuntrul țesutului cerebral.

Ei se vor aduna în jurul biomoleculelor

și între biomolecule,

formând acele țesuturi
conjunctive complexe

care în final vor permite
separarea moleculelor

una de alta.

Polimerul va încerca de fiecare dată

să se lege de mâner, exact ce ne trebuie

pentru a separa moleculele.

Vine momentul adevărului.

Trebuie să tratăm acest specimen

cu o substanță chimică ce va face
ca moleculele să se slăbească una de alta

ca apoi, când vom adăuga apă,

materialul absorbant
să înceapă s-o absoarbă,

iar lanțurile de polimer să se separe.

Dar acum se vor alătura
și biomoleculele.

Ca atunci când desenezi pe un balon

și apoi umfli balonul,

imaginea rămâne aceeași,

însă particulele de cerneală
se îndepărtează unele de celelalte.

Asta am reușit să facem până acum,
numai că în trei dimensiuni.

Mai este un ultim truc.

După cum vedeți,

am colorat toate biomoleculele în maro.

Asta pentru că toate arată cam la fel.

Biomoleculele sunt făcute
din aceiași atomi,

dar într-o ordine diferită.

Deci avem nevoie de un ultim lucru

pentru a le face vizibile.

Va trebui să punem mici etichete

colorate strălucitor
ca să se poată diferenția.

Un tip de biomolecule
ar avea culoarea albastră,

alt tip ar avea culoarea roșie

și tot așa.

Iar acesta este ultimul pas.

Acum ne putem uita la ceva
asemănător cu un creier

și putem observa molecule separate,

deoarece le-am distanțat
una de cealaltă suficient

cât să le diferențiem.

Noi sperăm să transformăm
invizibilul în vizibil.

Putem lua lucrurile
care par minuscule și nedeslușite

și le putem mări

până devin ca niște constelații
de informație despre viață.

În acest video vedeți
cum ar arăta de fapt.

Avem un creier micuț într-o farfurie --

de fapt, o bucățică de creier.

Am infuzat polimerul

și acum adăugăm apă.

Chiar acum, sub ochii voștri --

videoclipul e derulat
de 60 de ori mai repede --

bucățica asta de țesut cerebral va crește.

Își poate mări volumul
de 100 de ori sau chiar mai mult.

Partea tare e că, din moment
ce polimerii sunt așa micuți,

putem separa biomoleculele
unele de celelate în mod egal.

E o expansiune omogenă.

Nu se pierde configurația informației.

Doar o facem mai ușor de observat.

Acum putem lua
un circuit neuronal adevărat --

iată o parte a creierului
legată de memorie, de exemplu --

și să-l mărim.

Putem începe să ne uităm

la cum sunt configurate circuitele.

Poate cândva vom putea
citi dintr-o amintire.

Poate am putea vedea
cum sunt configurate circuitele

pentru procesarea emoțiilor,

sau cum sunt organizate
legăturile din creierul nostru

care ne fac ceea ce suntem.

Și desigur, sperăm să putem localiza

problemele survenite
în creier la nivel molecular.

Dacă ne-am putea uita
în celulele creierului

și am descoperi, de exemplu,
exact cele 17 molecule alterate

dintr-un țesut cerebral
care a dezvoltat epilepsie,

sau Parkinson,

sau altceva?

Dacă putem obține o listă sistematică
a lucrurilor care nu merg bine,

ele devin țintele noastre terapeutice.

Putem crea medicamente
care le pot remedia.

Poate reușim să canalizăm
energie în diferite părți ale creierului

ca să ajutăm oamenii
cu Parkinson, epilepsie

sau alte boli care afectează
peste un miliard de oameni

de pe tot globul.

S-a întâmplat ceva interesant.

Se pare că în domeniul biomedicinei

există și alte probleme
ce pot fi rezolvate prin expansiune.

Asta e o biopsie a unei paciente
care suferă de cancer la sân.

Dacă vă uitați la cancer,

la sistemul imunitar,

la îmbătrânire, la dezvoltare --

toate aceste procese implică
sisteme biologice la scară largă.

Dar desigur, problemele încep
cu acele molecule la scară nano,

cu mecanismele care dau impulsuri
celulelor și organelor din corpul nostru.

Acum noi încercăm să aflăm

dacă putem folosi această tehnologie

pentru a face o reprezentare
a elementelor veții

într-o varietate largă de boli.

Putem localiza schimbările
la nivel molecular într-o tumoare

ca să putem acționa inteligent

și să folosim medicamente
care elimină exact celulele vizate?

Medicina implică riscuri foarte mari.

Câteodată chiar e la nimereală.

Sper să putem face ambițiile
ce implică riscuri mari

să fie mai sigure.

Dacă vă gândiți literal

la misiunea de aselenizare,

totul a fost bazat pe știință.

Am înțeles gravitația;

am înțeles aerodinamica,

știam să construim rachete.

Riscul era sub control.

Chiar și așa, a implicat multă inginerie.

Însă în medicină
nu avem toate aceste legi.

Avem legi echivalente cu gravitația

sau cu aerodinamica?

Aș spune că, cu tehnologiile

de tipul celor menționate azi,

poate vom extrapola acele legi.

Putem reprezenta tiparele
din organismele vii

și găsi o cale de a învinge
bolile care ne dau de furcă.

Eu și soția mea avem doi copii,

iar una din speranțele mele
ca bioinginer e să le facem viața

mai bună decât este acum pentru noi.

Sper că dacă putem face
ca în biologie și medicină

reușitele să nu mai fie datorate
întâmplării și norocului,

ci aptitudinilor și muncii depuse,

ar fi un mare progres.

Vă mulțumesc foarte mult.

(Aplauze)