Как детские подгузники помогли найти новый способ изучения мозга

Нейроинженер Эд Бойден хочет знать, как крошечные биомолекулы в нашем мозге вызывают эмоции, мысли и чувства. Он хочет обнаружить молекулярные изменения, которые приводят к таким расстройствам, как эпилепсия и болезнь Альцгеймера. Вместо того, чтобы рассматривать эти мельчайшие структуры через увеличительное стекло микроскопа, он задаётся вопросом: «Что, если мы увеличим их самих, чтобы лучше всё разглядеть?» Узнайте, как набухающие полимеры, которые используются при изготовлении детских подгузников, могут стать ключом к пониманию нашего мозга.

Всем привет.

Я пришёл сегодня с детским подгузником,

и вы скоро поймёте почему.

У подгузников есть интересное свойство:

они могут сильно набухать
при добавлении воды.

Этот эксперимент
миллионы детей проводят ежедневно.

(Смех)

Причина в том,

что они разработаны очень по-умному.

Они сделаны из так называемого
набухающего материала.

Это особый вид материала,
который при добавлении воды

набухает, увеличиваясь в объёме

примерно в тысячу раз.

Этот промышленный вид полимера
имеет широкое применение.

Наша группа в MIT пытается выяснить,

можем ли мы сделать
что-то подобное с мозгом.

Можем ли мы увеличить его так,

что сможем разглядеть

мельчайшие строительные блоки,
биомолекулы,

и их трёхмерную структуру,

собрать данные о структуре мозга,
если можно так сказать?

Если бы нам это удалось,

может, мы бы лучше поняли,
как устроен наш мозг,

как в нём рождаются мысли, эмоции,

действия и ощущения.

Может, мы бы смогли определить,
какие именно изменения в мозге

приводят к таким заболеваниям,

как болезнь Альцгеймера,
эпилепсия или болезнь Паркинсона,

для которых у нас всего несколько
вариантов лечения и лекарств,

и зачастую мы не понимаем
причин или истоков болезни,

не знаем, чем она вызвана.

Сейчас наша группа в MIT

пытается пересмотреть точку зрения,

главенствовавшую в нейробиологии
на протяжении последних ста лет.

Мы дизайнеры. Мы изобретатели.

Мы пытаемся выяснить,
как создать технологии,

которые позволят нам
изучать и восстанавливать мозг.

А причина в том,

что мозг невероятно, невероятно сложен.

Итак, за первый век нейробиологии
мы узнали,

что мозг представляет собой
очень сложную сеть,

состоящую из называемых нейронами
особых клеток

с очень сложной геометрией

и электрическими токами, проходящими
через сложные по форме нейроны.

Эти нейроны объединяются в сети:

нейроны соединены перемычками, синапсами,
которые передают химические вещества,

позволяя нейронам «общаться».

Их концентрация в мозге невероятна.

В кубическом миллиметре вашего мозга

около 100 000 таких нейронов

и, возможно, миллиард подобных соединений.

Но это ещё не всё.

Если бы мы могли увеличить нейрон, —

тут, конечно, показано ви́дение
нашего художника, —

вы бы увидели тысячи и тысячи
разных видов биомолекул,

наноразмерных машин,
организованных в сложные 3D-модели.

Вместе они преобразовывают
электрические импульсы

и проводят химические обмены,
позволяющие нейронам вместе работать

и генерировать, например,
мысли, чувства и так далее.

Сейчас мы точно не знаем,
как организованы нейроны в мозге,

как они формируют сети,

и мы не знаем,
как биомолекулы организованы

в нейронах

и как они формируют эти
сложноорганизованные машины.

Если мы хотим это понять,

нам нужны новые технологии.

Если бы мы получили карту мозга,

если бы мы взглянули
на организацию молекул и нейронов,

нейронов и сетей,

возможно, мы бы смогли понять,
как мозг передаёт информацию

из сенсорных областей,

смешивает её с эмоциями и чувствами

и формирует наши решения и действия.

Возможно, мы бы определили набор
молекулярных изменений, происходящих

при болезни мозга.

Если бы мы знали,
как изменяются эти молекулы, —

растёт ли их число
или меняется структура, —

мы бы использовали эти данные
для создания новых лекарств

и новых путей доставки энергии в мозг,

чтобы восстановить
функции мозга у пациентов,

страдающих от заболеваний мозга.

За последние сто лет
появилось много разных технологий,

противостоящих этим болезням.

Я думаю, все видели снимки мозга,

сделанные с помощью аппарата МРТ.

Их достоинство в том, что они неинвазивны

и их можно применять на живых людях.

Но, увы, они пространственно не точны.

Каждый из этих сгустков,
так называемых вокселей,

может содержать миллионы
и миллионы нейронов.

Так что это не тот уровень разрешения,

где можно точно определить
молекулярные изменения

или изменения в проводимости этих сетей,

которые делают нас сознательными
и могущественными существами.

С другой стороны, у нас есть микроскопы.

Микроскопам необходим свет,
чтобы изучать мельчайшие частицы.

Веками мы пользовались
микроскопами для изучения бактерий.

В нейробиологии

нейроны были впервые обнаружены
именно с помощью микроскопов

около 130 лет назад.

Но освещённость принципиально ограничена:

под обычным микроскопом
нельзя изучать отдельные молекулы

или исследовать мельчайшие соединения.

Так что, если мы хотим улучшить
возможности по изучению мозга,

дойти до сáмой его структуры,

нам необходимо создать
более продвинутые технологии.

Моя группа пару лет назад задумалась,

почему бы не сделать наоборот?

Если так сложно увеличить
изображение мозга,

почему бы не сделать сам мозг больше?

Всё началось

с двух студентов в моей группе,
Фейя Ченя и Пола Тилберга.

Теперь и другие студенты
присоединились к процессу.

Мы решили выяснить, что будет,
если взять полимеры,

как в детских подгузниках,

и поместить их в мозг.

Если сделать всё правильно
и добавить воду,

можно увеличить мозг до такого размера,

чтобы можно было различать
эти крошечные биомолекулы.

Тогда мы сможем изучить их соединения
и получить карты мозга.

Это может стать сенсацией.

Мы принесли сюда образец.

Мы извлекли немного
очищенного полимера из подгузника.

Гораздо проще купить его в Интернете,

чем достать несколько гранул
из подгузника.

Я положу сюда всего одну чайную ложку

очищенного полимера.

У нас есть немного воды.

Сейчас мы посмотрим,

увеличится ли полимер из подгузника

в размере.

Вы увидите, как объём увеличится
примерно в тысячу раз

прямо на ваших глазах.

Я бы мог налить гораздо больше воды,

но думаю, что вы уже поняли,

что это очень интересная молекула

и если её использовать правильно,

мы сможем увеличить мозг,

что было невозможно
с прошлыми технологиями.

OK. Теперь немного химии.

Что происходит с полимером из подгузника?

Если посмотреть под увеличением,

это бы выглядело, примерно как на экране.

Полимеры — это цепочки атомов,
выстроенные в длинные тонкие линии.

Эти цепочки крошечные,

шириной примерно с биомолекулу,

и плотность полимеров очень высока.

Промежутки между ними

размером примерно с биомолекулу.

Это очень хорошо,

потому что мы могли бы разделить их
внутри мозга.

Если мы добавим воду,

то набухающий материал поглотит её,

полимерные цепочки
отделятся друг от друга,

и при этом весь материал
увеличится в размере.

Эти цепочки крошечные

и разделены промежутками с биомолекулу,

потенциально мы сможем увеличить мозг,

чтобы заглянуть внутрь.

Однако тут загадка:

как поместить эти полимерные
цепочки внутрь мозга так,

чтобы отделить биомолекулы друг от друга?

Если бы нам это удалось,

возможно, мы бы получили
карту структуры мозга.

Увидели бы схему мозга.

Мы смогли бы заглянуть внутрь
и разглядеть молекулы изнутри.

Чтобы лучше это объяснить,
мы сделали анимацию,

где, конечно, художник дал
свою интерпретацию того,

как могут выглядеть биомолекулы
и как мы бы могли разделить их.

Шаг первый: прежде всего мы должны

присоединить все биомолекулы,
выделенные здесь коричневым цветом,

к маленькому якорю, маленькой рукоятке.

Нам нужно отделить
молекулы мозга друг от друга,

и чтобы сделать это,
нам нужна небольшая рукоятка,

позволяющая полимерам
прикрепляться к молекулам

и использовать их силу.

Если просто взять полимер
из подгузника и поместить его на мозг,

очевидно, что он просто осядет сверху.

Поэтому нам нужно найти способ
доставить полимер внутрь.

И тут нам действительно повезло.

Оказалось, можно получить
строительные блоки,

так называемые мономеры.

Если дать им проникнуть в мозг,

а затем вызвать химические реакции,

тогда мы сможем заставить их
сформировать длинные цепи

прямо тут, внутри ткани мозга.

Они проложат свой путь вокруг биомолекул

и между биомолекулами,

образуя сложные перемычки,

которые далее помогут отделить молекулы

друг от друга.

И каждый раз, когда одна
из этих маленьких рукояток рядом,

полимер будет прилепляться к ней,
и это именно то, что нам нужно,

чтобы отделить молекулы друг от друга.

Итак, момент истины.

Мы должны обработать этот образец

химическим веществом,
чтобы ослабить связь между молекулами,

и затем, когда мы добавим воду,

набухающий материал начнёт поглощать её,

полимерные цепи разойдутся,

но теперь вместе с биомолекулами.

Это как нарисовать что-нибудь
на воздушном шаре,

затем надуть шар,

рисунок будет такой же,

но частицы чернил
разойдутся друг от друга.

Это мы можем делать уже сейчас,
но в трёх измерениях.

И последняя хитрость.

Как вы можете видеть здесь,

мы покрасили биомолекулы
в коричневый цвет,

потому что они все выглядят одинаково.

Биомолекулы состоят из одинаковых атомов,

но в разной последовательности.

И последнее,

нужно сделать их видимыми.

Мы должны прикрепить к ним маленькие теги,

с яркими красками,
которые позволит нам различать их.

Так один вид биомолекул
может получить синий цвет,

другой вид биомолекул — красный,

и так далее.

И последний шаг.

Теперь мы можем изучать, например мозг,

исследовать отдельные молекулы,

потому что мы разделили их
достаточно далеко друг от друга

и теперь можем их различать.

Мы надеемся сделать невидимое видимым.

Мы можем увеличить
крошечное и малопонятное,

и увеличив,

мы бы смогли собрать
необходимую информацию.

Вот конкретное видео,
как это может выглядеть.

У нас здесь немного мозга в чашке Петри,

маленький кусочек мозга.

Мы поместили внутрь полимер

и теперь добавляем воду.

То, что вы сейчас
увидите своими глазами, —

это видео, ускоренное в 6 раз.

Cейчас этот маленький кусочек
ткани мозга начнёт расти.

Он может увеличиться в объёме
в сотни раз или даже больше.

И самое интересное —
эти полимеры настолько малы,

что биомолекулы равномерно
отделяются друг от друга.

Происходит плавное расширение.

Мы не теряем структуру информации.

Мы просто упрощаем себе задачу.

Теперь мы видим фактическую схему мозга —

вот например, часть мозга,
ответственная за память.

Можно увеличить масштаб.

Можно посмотреть, как устроены схемы.

Возможно, однажды мы прочитаем
нашу память.

Возможно, мы поймём, как работают схемы,

как обрабатываются эмоции,

как организована схема нашего мозга,

которая делает нас теми, кто мы есть.

И также мы надеемся,
что сможем определять

существующие неполадки в мозге
на молекулярном уровне.

Что, если бы мы могли
заглянуть в клетки мозга

и выяснить, что — ничего себе! —
эти 17 молекул видоизменились

в ткани мозга, страдающего эпилепсией

или болезнью Паркинсона

или чем-то ещё?

Если мы получим точный список отклонений,

то сможем определить пути лечения.

Мы сможем создать лекарства от них.

Возможно, мы сможем перенаправлять
энергию в разные отделы мозга,

чтобы помочь людям
с Паркинсоном, эпилепсией

и другими болезнями
более миллиарда человек

по всему миру.

Происходит что-то интересное.

Оказалось, что в биомедицине

есть и другие проблемы,
где это увеличение может помочь.

Это биопсия пациентки
с раком молочной железы.

Если посмотреть на клетки рака,

на иммунную систему,

на процесс старения,
на развитие болезни,

видно, что во все эти процессы вовлечены
крупные биологические системы.

Конечно же, все проблемы начинаются
с этих маленьких наноразмерных молекул,

машин, которые заставляют
клетки и органы работать.

Итак, сейчас мы попытаемся выяснить,

сможем ли мы с помощью этой технологии
получить карту строительных блоков

в огромном разнообразии болезней.

Сможем ли мы определить
молекулярные изменения в опухоли

и отследить то место,

куда надо доставить лекарство,
чтобы уничтожить опасные для нас клетки?

Знаете, медицина — это всегда риск.

Иногда это даже «метод тыка».

Мы надеемся, что сможем
превратить эти рискованные попытки

в нечто более надёжное.

Вспомните наш полёт на Луну,

который состоялся на самом деле,

и всё благодаря науке.

Мы изучили гравитацию,

мы изучили аэродинамику.

Мы знаем, как строить ракеты.

Научные риски были под контролем.

Это был величайший успех инженерии.

Но в медицине нам не нужно
соблюдать все эти законы.

Есть ли у нас законы,
аналогичные гравитации

и аналогичные аэродинамике?

Я считаю, что с помощью технологий,

о которых я сегодня говорил,

возможно, мы выведем такие законы.

Может, мы отметим паттерны,
встречающиеся в живых организмах,

и выясним, как победить
тревожащие нас болезни.

У нас с женой два маленьких ребёнка,

и одна из моих надежд как биоинженера —
сделать их жизнь лучше,

чем она есть сейчас для нас.

И я надеюсь, мы сможем изменить
биологию и медицину

и превратить эти высокорискованные
попытки, зависящие от случая и удачи,

в надёжные способы лечения
с помощью мастерства и упорства —

это был бы большой шаг вперёд.

Большое спасибо.

(Аплодисменты)