Pelene za bebe su inspirisale ovaj novi način izučavanja mozga

Neuroinženjer Ed Bojden želi da zna kako sitni biomolekuli u našim mozgovima proizvode emocije, misli i osećanja, i želi da pronađe molekularne promene koje dovode do poremećaja kao što su epilepsija i Alchajmerova bolest. Umesto da uveliča ove nevidljive strukture pomoću mikroskopa, zapitao se: „Šta ako ih fizički uvećamo i olakšamo da se vide?“ Saznajte kako isti polimeri koji se koriste da nabubre pelene za bebe mogu biti ključ za bolje razumevanje našeg mozga.

Zdravo svima.

Doneo sam danas pelenu za bebe.

Videćete uskoro zašto.

Pelene za bebe imaju zanimljiva svojstva.

Mogu da se izuzetno naduju
kada im dodate vode,

što je eksperiment koji sprovode
milioni dece svakoga dana.

(Smeh)

Međutim, razlog tome

je to što su osmišljene
na vrlo pametan način.

Napravljene su od nečeg
što se zove upijajući materijal.

To je specijalna vrsta materijala koji se,
kada mu dodate vodu, znatno naduje,

možda hiljadu puta po veličini.

To je vrlo korisna,
industrijska vrsta polimera.

Međutim, ono što pokušavamo
u mojoj grupi na MIT-u

je da otkrijemo da li možemo
da nešto slično uradimo sa mozgom,

da li ga možemo povećati,

dovoljno da možete da zavirite unutra

i vidite sve te sićušne
sastavne delove, biomolekule,

kako su organizovani u tri dimenzije,

da direktno steknete uvid
u strukturu mozga, ako hoćete.

Ako bismo to uspeli,

možda bismo bolje razumeli
kako je mozak organizovan

tako da proizvodi misli, osećanja,

radnje i osećaje.

Možda bismo mogli da pokušamo da odredimo
upravo one promene u mozgu

koje imaju za posledicu bolesti

kao što su Alchajmerova,
epilepsija i Parkinsonova bolest,

za koje ima malo lečenja,
a još manje lekova,

i za koje vrlo često
ne znamo uzrok, poreklo,

niti šta zaista dovodi do toga da se jave.

Naša grupa na MIT-u

pokušava da zauzme
drugačiju tačku gledišta

od načina na koji su neuronauke
radile poslednjih sto godina.

Mi smo programeri. Mi smo pronalazači.

Pokušavamo da otkrijemo
kako da izgradimo tehnologije

koje nam dozvoljavaju
da posmatramo mozak i popravimo ga.

Razlog tome je to što je mozak
neverovatno komplikovan.

Ono što smo naučili
tokom prvog veka neuronauka

je da je mozak veoma komplikovana mreža

sačinjena od vrlo specijalizovanih ćelija

zvanih neuroni
sa vrlo složenom geometrijom,

a električna struja će proticati
kroz te neurone složenog oblika.

Osim toga, neuroni se povezuju u mreže.

Povezani su malim spojevima
zvanim sinapse koje razmenjuju hemikalije

i omogućavaju neuronima
da međusobno razgovaraju.

Gustina mozga je neverovatna.

U kubnom milimetru vašeg mozga

postoji oko 100 000 ovih neurona

i možda milijardu tih veza.

Međutim, još je gore od toga.

Tako, ako biste uveličali neuron -

a naravno, ovo je samo umetnički prikaz -

ono što biste videli
jesu hiljade vrsta biomolekula,

male mašine na nano nivou
organizovane u složene 3D obrasce,

a oni zajedno posreduju
između tih električnih impulsa,

tih hemijskih razmena
koje omogućavaju neuronima da sarađuju

da bi proizveli stvari poput misli,
osećanja i tako dalje.

Ne znamo kako su neuroni
organizovani u mozgu

tako da formiraju mreže

i ne znamo kako se biomolekuli organizuju

unutar neurona

da bi formirali te složene,
organizovane mašine.

Ako zaista želimo da ovo razumemo,

biće nam potrebne nove tehnologije.

Međutim, kada bismo dobili takve mape,

kada bismo mogli da sagledamo
organizaciju molekula i neurona,

neurona i mreža,

možda bismo zaista razumeli
kako mozak upravlja informacijama

iz senzornih oblasti,

pomeša ih sa emocijama i osećanjima

i proizvodi naše odluke i postupke.

Možda bismo mogli da tačno utvrdimo
skup molekularnih promena koje se dešavaju

pri poremećajima mozga.

Kada jednom saznamo
kako su se ti molekuli promenili,

bilo da su se brojčano povećali
ili im se promenio obrazac,

možemo ih iskoristiti
kao mete za nove lekove,

za nove načine dopremanja energije u mozak

da bismo popravili proračune mozga

koji su pogođeni kod pacijenata
koji boluju od poremećaja mozga.

Svi smo tokom proteklog veka
videli mnogo različitih tehnologija

koje nastoje da se suoče sa ovim.

Mislim da smo svi videli skeniranja mozga

pomoću mašina za magnetnu rezonancu.

One, svakako, imaju veliku snagu
u tome što su neinvazivne,

mogu se koristiti
na živim ljudskim subjektima.

Međutim, takođe su prostorno nerafinirane.

Svaka od ovih mrlja koje vidite,
ili voksela, kako se zovu,

može sadržati milione neurona.

Dakle, nemaju nivo rezolucije

na kome se mogu precizno odrediti
molekularne promene koje se javljaju

ili promene povezivanja ovih mreža

koje doprinose našoj sposobnosti
da budemo svesna i moćna bića.

Na drugom kraju, imate mikroskope.

Mikroskopi će, naravno, koristiti svetlo
za posmatranje sićušnih stvari.

Vekovima su korišćeni
za posmatranje stvari poput bakterija.

Za neuronauke,

pomoću mikroskopa su neuroni
zapravo prvobitno otkriveni

pre oko 130 godina.

Međutim, svetlo je suštinski ograničeno.

Ne možete videti pojedinačne molekule
običnim starim mikroskopom.

Ne možete videti ove sićušne veze.

Ako želimo da pojačamo
našu sposobnost da vidimo mozak,

da dođemo do direktnog uvida u strukturu,

biće nam potrebne još bolje tehnologije.

Moja grupa je pre par godina
počela da razmišlja:

„Zašto ne uradimo suprotno?

Ako je toliko komplikovano
uveličati sliku mozga,

zašto ne uvećamo mozak?

Najpre je počelo

sa dva studenta u mojoj grupi,
Feijem Čenom i Polom Tilbergom.

Sada mnogi drugi u mojoj grupi
pomažu u ovom procesu.

Rešili smo da probamo da otkrijemo
da li možemo da uzmemo polimere,

kao ono u peleni za bebe,

i da ih fizički ugradimo u mozak.

Ako to sprovedete
baš kako treba i dodate vode,

potencijalno možete uvećati mozak

do tačke u kojoj možete
međusobno razlikovati te male biomolekule.

Možete videti te veze i dobiti mape mozga.

To bi potencijalno moglo biti
prilično dramatično.

Doneli smo malu demonstraciju ovde.

Imamo malo prečišćenog materijala
za pelene za bebe.

Mnogo je lakše
samo ga kupiti preko interneta

nego izvući nekoliko zrna
koja zapravo postoje u pelenama.

Staviću ovde samo jednu kašičicu

prečišćenog polimera.

A ovde imamo malo vode.

Ono što ćemo da uradimo

jeste da vidimo da li ova kašičica
materijala pelene za bebe

može da se poveća.

Videćete kako mu se povećava obim
oko hiljadu puta

pred vašim očima.

Mogao bih da sipam mnogo više ovoga,

ali mislim da imate predstavu

da je ovo veoma zanimljiv molekul

i ako ga iskoristimo na pravi način,

mogli bismo zaista uveličati sliku mozga

na način na koji to ne možete uraditi
pomoću prethodnih tehnologija.

U redu. Sada malo hemije.

Šta se dešava u polimeru
u pelenama za bebe?

Ako biste ga uvećali,

mogli biste videti nešto
poput onoga što vidite na ekranu.

Polimeri su lanci atoma
poređani u duge, tanke linije.

Lanci su vrlo mali,

otpilike širine biomolekula,

a ti polimeri su veoma gusti.

Odvojeni su rastojanjima

koja su otpilike veličine biomolekula.

To je veoma dobro

jer bismo potencijalno mogli
da razdvojimo sve u mozgu.

Ako dodamo vodu,

desiće se da će upijajući materijal
apsorbovati vodu,

lanci polimera će se međusobno razdvojiti

i celokupni materijal će postati veći.

Zato što su lanci tako mali

i odvojeni biomolekularnim rastojanjima,

potencijalno bismo mogli uvećati mozak

i učiniti ga dovoljno velikim da vidimo.

Evo u čemu je misterija -

kako da zapravo napravimo
te lance polimera u mozgu

tako da možemo da razdvojimo
sve biomolekule?

Ako bismo to uspeli,

možda bismo mogli da dobijemo
mape direktnog uvida u mozak.

Mogli bismo da sagledamo mrežu.

Mogli bismo da zavirimo unutra
i vidimo molekule.

Da bismo ovo objasnili,
napravili smo animacije

gde zapravo gledamo
na umetničkim prikazima

kako bi biomolekuli mogli izgledati
i kako bismo ih mogli razdvojiti.

Prvi korak - morali bismo da, najpre,

prikačimo svaki biomolekul,
prikazan braon bojom ovde,

za malo sidro, malu dršku.

Morali bismo da molekule
odvojimo jedne od drugih,

a da bismo to uradili,
potrebna nam je mala drška

koja omogućava polimerima da se vežu

i da primene svoju snagu.

Ako samo uzmete polimer iz pelene za bebe
i bacite ga na mozak,

očigledno, stajaće tu na vrhu.

Dakle, potrebno je da nađemo način
da smestimo polimere unutra.

Po tom pitanju baš imamo sreće.

Ispostavilo se da možete
da uzmete sastavne delove,

monomere, kako se zovu,

pa ako ih pustite da uđu u mozak

i zatim pokrenete hemijske reakcije,

možete da ih navedete
da formiraju duge lance,

upravo unutar moždanog tkiva.

Obmotaće se oko biomolekula

i između biomolekula,

formirajući kompleksne mreže

koje će vam dozvoliti da, na kraju,
razdvojite molekule

jedne od drugih.

Svaki put kada je prisutna
jedna od tih malih drški,

polimer će se vezati za nju,
a to je upravo ono što nam treba

da bismo međusobno razdvojili molekule.

U redu, trenutak istine.

Moramo delovati na ovaj uzorak hemikalijom

da bismo nekako otpustili
molekule jedne od drugih,

a zatim, kada dodamo vodu,

taj upijajući materijal će početi
da apsorbuje vodu,

lanci polimera će se razdvojiti,

ali će se sada biomolekuli pridružiti.

Kao kada nacrtate sliku na balonu,

a zatim nadujete balon -

slika je ista,

ali su se čestice mastila
međusobno razdvojile.

To je ono što smo uspeli
da uradimo sada, ali u tri dimenzije.

Postoji još jedan trik.

Kao što možete videti ovde,

sve biomolekule smo označili braon bojom.

To je zato što svi nekako izgledaju isto.

Biomolekuli su sačinjeni od istih atoma,

samo imaju različit redosled.

Potrebna nam je još samo jedna stvar
da bismo ih učinili vidljivim.

Moramo da unesemo male oznake,

kao svetleće boje
po kojima će se raspoznavati.

Tako jedna vrsta biomolekula
može dobiti plavu boju,

druga vrsta biomolekula
može dobiti crvenu boju

i tako dalje.

To je poslednji korak.

Sada možemo pogledati
nešto kao što je mozak

i sagledati pojedinačne molekule,

jer smo ih dovoljno međusobno razdvojili

da ih možemo razlikovati.

Ovde postoji nada da možemo
nevidljivo učiniti vidljivim.

Možemo izmeniti stvari
koje mogu delovati malo i nejasno

i uvećati ih

sve dok ne postanu
poput sazvežđa informacija o životu.

Evo stvarnog snimka
toga kako to može izgledati.

Ovde imamo malo mozga u posudi,

komadić mozga, zapravo.

Ubrizgali smo polimer u njega

i sada dodajemo vodu.

Videćete kako će pred vašim očima -

snimak je ubrzan otprilike šest puta -

ovaj komadić moždanog tkiva porasti.

Može se povećati stotinu puta
ili više u obimu.

Zanimljiv deo je u tome što,
zato što su ti polimeri tako mali,

jednako razdvajamo biomolekule međusobno.

To je ravnomerno širenje.

Ne gubimo raspored informacija.

Samo olakšavamo da se vide.

Sada možemo uzeti moždane puteve -

evo dela mozga koji je uključen,
na primer, u pamćenje -

i možemo ga uveličati.

Moždamo početi da sagledavamo
kako su putevi konfigurisani.

Možda ćemo jednog dana
moći da čitamo sećanja.

Možda bismo mogli da zaista vidimo
kako su putevi podešeni

da bi obrađivali emocije,

kako je organizovana
ta umreženost našeg mozga

da bi nas učinila onakvima kakvi smo.

Naravno, možemo odrediti, nadajmo se,

stvarne probleme u mozgu
na molekularnom nivou.

Šta ako bismo mogli da pogledamo
u ćelije mozga i otkrijemo -

vau, evo 17 molekula koji su izmenjeni

u ovom moždanom tkivu
koje prolazi kroz epilepsiju

ili promene zbog Parkinsonove bolesti
ili su na neki drugi način izmenjeni?

Ako dobijemo tu sistematičnu listu
stvari koje idu po zlu,

one postaju naše mete u terapiji.

Možemo napraviti lekove
da se vežu za njih.

Možda možemo usmeriti energiju
na različite delove mozga

kako bismo pomogli ljudima
sa Parkinsonovom bolešću, epilepsijom

ili drugim stanjima koja pogađaju
više od milijardu ljudi širom sveta.

Nešto zanimljivo se dešavalo.

Ispostavilo se da u okviru biomedicine

postoje drugi problemi
u vezi sa kojima širenje može pomoći.

Ovo je stvarna biopsija
od pacijenta sa rakom dojke.

Ispostavilo se da, ako pogledate rak,

ako pogledate imuni sistem,

starenje, razvoj -

svi ti procesi podrazumevaju
biološke sisteme velikih razmera.

Međutim, naravno, problem počinje
sa tim malim molekulima na nano nivou,

mašinama koje čine da ćelije
i organi u našem telu funkcionišu.

Stoga pokušavamo da sada otkrijemo

da li možemo zaista koristiti
ovu tehnologiju

da bismo mapirali sastavne delove života
u širokom spektru oboljenja.

Možemo li zaista odrediti
molekularne promene kod tumora

tako da možemo da ga napadnemo
na pametan način

i dostavimo lekove koji bi mogle uništiti
upravo one ćelije koje želimo?

Znate, dobar deo medicine
je veoma rizičan.

Ponekad čak podrazumeva nagađanje.

Moja je nada da možemo pretvoriti

ono što može biti
visoko rizičan poduhvat na Mesec

u nešto što je pouzdanije.

Ako razmislite

o prvobitnom poduhvatu na Mesec,
kada su zapravo sleteli na Mesec,

zasnovan je na čvrstoj nauci.

Razumeli smo gravitaciju,

razumeli smo aerodinamiku.

Znali smo kako da napravimo rakete.

Naučni rizik je bio pod kontrolom.

Ipak je to bio veliki podvig inženjerstva.

Međutim, u medicini,
nemamo nužno sve zakone.

Da li imamo sve zakone
koji su analogni gravitaciji,

koji su analogni aerodinamici?

Tvrdim da ih sa tehnologijama

poput onih o kojima govorim danas,

možda zapravo možemo proizvesti.

Možemo napraviti mapu obrazaca
koji se javljaju u živim sistemima

i otkriti kako da prevaziđemo
bolesti koje nas muče.

Znate, moja žena i ja imamo dvoje dece

i jedna od mojih nada kao bioinženjera
je da učinim život boljim za njih

od onoga kakav je trenutno za nas.

Moja nada je, ako možemo
da preokrenemo biologiju i medicinu

od tih visoko rizičnih poduhvata
kojima rukovode slučaj i sreća

i učinimo ih stvarima u kojima pobeđujemo
veštinama i napornim radom,

onda bi to bio veliki napredak.

Hvala vam mnogo.

(Aplauz)