Ed Boyden: Prekidač za neurone

Ed Boyden pokazuje kako, unoseći gene za proteine osjetljive na svjetlo u neurone mozga, može selektivno aktivirati ili deaktivirati specifične neurone pomoću umetaka optičkih vlakana. S ovom nečuvenom razinom kontrole, uspio je izliječiti miševe od analoga PTSP-a i određenih oblika sljepoće. Na pomolu su neuralne proteze. Nakon govora, voditelj Juan Enriquez vodi kratko odgovaranje na postavljena pitanja.

Razmislite o svom danu na sekundu.

Probudili ste se, osjetili svjež zrak na svom licu kad ste izašli kroz vrata,

susreli nove kolege i imali odlične rasprave,

i začudili se otkrivši nešto novo.

Ali kladim se da niste mislili o nečemu danas --

nečemu tako blizu domu

da vjerojatno ne mislite o tome često.

A to je da svim osjetima, osjećajima,

odlukama i radnjama

upravlja računalo u vašoj glavi

zvano mozak.

Mozak možda ne izgleda posebno izvana --

nekoliko kilograma ružičastosivog mesa,

amorfnog --

ali posljednjih nam je sto godina neuroznanosti

omogućilo zumiranje mozga,

i proučavanje složenosti onoga što leži unutra.

I rekli su nam da je taj mozak

nevjerojatno složen sklop

sastavljen od stotina milijarda stanica zvanih neuroni.

Za razliku od računala što ih čine ljudi,

gdje imamo relativno malen broj različitih dijelova --

znamo kako rade, jer smo ih mi izradili --

mozak se sastoji od tisuća različitih vrsta stanica,

možda desetaka tisuća.

Dolaze u različitim oblicima; sačinjeni su od različitih molekula;

i projiciraju i povezuju različite regije mozga.

I također se mijenjaju na različite načine u raznim bolestima.

Idemo konkretnije.

Postoji klasa stanica,

relativno malih stanica, inhibitornih, koje utišavaju svoje susjede.

To su jedne od stanica koje se čine utišanim u stanjima poput šizofrenije.

Zove se košarasta stanica.

I ta je stanica jedna od tisuća vrsta stanica

o kojima učimo.

Nove se otkrivaju svakodnevno.

I kao drugi primjer:

ove piramidne stanice, velike stanice,

mogu obuhvatiti velik dio mozga.

One su ekscitatorne.

Ove stanice

mogu biti previše aktivne u poremećajima poput epilepsije.

Svaka od tih stanica

je nevjerojatan električni uređaj.

Primaju podražaje od tisuća uzvodnih partnera

i izračunavaju svoje vlastite električne podražaje,

koji onda, ako prijeđu određen prag,

mogu otići do tisuća nizvodnih partnera.

I ovaj proces, koji obično traje samo milisekundu,

događa se tisućama puta u minuti

u svakom od 100 milijardi stanica,

dokle god smo živi

i mislimo i osjećamo.

Kako ćemo otkriti što sklop radi?

Idealno, otišli bismo kroz sklop

i palili i gasili različite stanice

i gledali možemo li shvatiti

kako pojedine stanice doprinose određenoj funkciji

i koje su poremećene u određenim patološkim stanjima.

Kad bismo mogli aktivirati stanice, mogli bismo vidjeti koje moći one mogu osloboditi,

što mogu pokrenuti i kontrolirati.

Kad bismo ih ugasili,

mogli bismo probati shvatiti za što su nam potrebne.

I to je priča o kojoj ću vam govoriti danas.

I iskreno, gdje smo sve bili u zadnjih jedanaest godina,

pokušavajući naći načine

paljenja i gašenja sklopova, stanica,

dijelova i puteva u mozgu,

da bismo shvatili znanost,

i suočili se s nekim od problema

s kojima se suočavamo kao ljudi.

Prije nego što vam kažem nešto o tehnologiji,

loša vijest je što će velik dio nas u ovoj prostoriji,

ako budemo živjeli dovoljno dugo,

razviti, možda, neurološki poremećaj.

Već je sad milijarda ljudi

imala određen oblik neurološkog poremećaja

koji ih je onesposobio.

I broj ih je zakinuo.

Ovi poremećaji -- šizofrenija, Alzheimer,

depresija, ovisnosti --

ne kradu nam samo naše vrijeme života, već mijenjaju i ono tko smo;

uzimaju nam identitet i mijenjaju naše osjećaje --

mijenjaju ono tko smo kao ljudi.

Sada u 20. stoljeću,

stvorila se nada

zbog stvaranja lijekova za liječenje poremećaja mozga.

I dok su bili razvijeni mnogi lijekovi

koji mogu ublažiti simptome poremećaja mozga,

prakički ni jedan od njih ne možemo smatrati izliječenim.

A to je dijelom zbog toga što kupamo mozak u kemikalijama.

Ovaj je složeni sklop

napravljen od tisuća različitih vrsta stanica

koje mi kupamo u raznim tvarima.

To je i razlog zbog kojeg možda većina lijekova na tržištu, ako ne i svi,

imaju neke vrste ozbiljnih, neželjenih posljedica.

Neki ljudi dobili su nekakvo olakšanje

u električnim stimulatorima koji su im ugrađeni u mozak.

I za Parkinsonovu su bolest

kohlearni implantanti

zaista postigli

neka poboljšanja

kod ljudi s određenim vrstama poremećaja.

Ali elektricitet ide u svim smjerovima --

putem manjeg otpora,

odakle taj izraz djelomice i dolazi.

I utjecat će na normalne sklopove, kao i na one abnormalne koje želite popraviti.

Dakle, opet smo se vratili na ideju

ultraprecizne kontrole.

Možemo li usmjeriti informaciju točno tamo kamo želimo da ode?

I tako, kada sam se počeo baviti neuroznanošću prije 11 godina,

bio sam školovan kao električni inžinjer i fizičar

i prva stvar na koju sam pomislio jest da,

ako su ovi neuroni električne naprave,

sve što moramo napraviti jest naći neki način

da provedemo te električne promjene s daljine.

Kad bismo mogli izazvati elektricitet u jednoj stanici,

ali ne u njezinim susjedama,

to bi nam dalo alat kojim bismo mogli aktivirati i ugasiti te različite stanice,

otkriti što one rade i kako doprinose

mrežama u koje su uključene.

To bi nam također omogućilo da imamo ultrapreciznu kontrolu koju trebamo

kako bismo popravili rezultate sklopova

koji su pošli po krivu.

Kako ćemo to učiniti?

Pa, u prirodi postoji mnogo molekula

koje su sposobne pretvoriti svjetlost u elektricitet.

Možete o njima razmišljati kao o malim proteinima

koji su kao solarne ćelije.

Kada bismo nekako mogli instalirati te molekule u neurone,

tada bi ti neuroni postali električno upravljivi svjetlom.

A njihovi susjedi koji nemaju tu molekulu ne bi to bili.

Postoji još jedan magični trik koji vam treba kako bi se sve to dogodilo,

a to je sposobnost uvođenja svjetla u mozak.

Da biste to učinili -- mozak ne osjeća bol -- možete staviti --

koristeći prednosti svih napora

koji su uloženi u internet i komunikacije itd.--

optička sredstva povezana laserima

koja možete koristiti da aktivirate, u životinjskim primjerima npr.

u predkliničkim istraživanjima,

te neurone i da vidite što oni rade.

Pa kako ćemo to učiniti?

Otprilike 2004.,

u suradnji s Gerhard Nagelom i Karlom Deisserothom,

ta je vizija donijela plodove.

Postoji određena alga koja pliva u divljini

i mora navigirati prema svjetlu,

kako bi optimalno fotosintetizirala.

Ona osjeća svjetlo pomoću male oko-točke

koja funkcionira slično našem oku.

U njezinoj membrani (ili njezinoj granici)

sadrži male proteine

koji zaista pretvaraju svjetlost u elektricitet.

Te se molekule zovu channelrhodopsini.

Svaki se od tih proteina ponaša baš kao solarna ćelija o kojoj sam vam govorio.

Kada ju pogodi plavo svjetlo, ona otvori malu rupu

i dozvoli nabijenim česticama da uđu u oko-točku.

To dopušta toj oko-točki da ima električni signal

baš kao solarna ćelija koja puni bateriju.

Dakle, ono što trebamo napraviti jest uzeti te molekule

i nekako ih instalirati u neurone.

Budući da je to protein,

kodiran je za DNK svog organizma.

Dakle, sve što trebamo napraviti jest uzeti taj DNK,

staviti ga u okvir genske terapije kao virus

i postaviti ga u neurone.

Ispalo je da je to bilo veoma produktivno vrijeme u genskoj terapiji

pa se pojavljivalo mnogo virusa

te se ispostavilo da je to veoma jednostavno napraviti.

Rano ujutro jednog ljetnog dana 2004.

pokušali smo i upalilo je iz prvog pokušaja.

Uzmete taj DNK i stavite ga u neuron.

Neuron koristi svoj prirodni protein, tvoreći mašineriju

za proizvodnju tih malih proteina osjetljivih na svjetlost

i njihovo instaliranje po cijeloj stanici

poput postavljanja solarnih panela na krovu.

I u sljedećem trenutku

imate neuron koji može biti aktiviran pomoću svjetla.

Dakle, to je veoma moćno.

Jedan od trikova koje morate napraviti

jest shvatiti kako dostaviti te gene u one stanice koje želite,

a ne u ostale, susjedne stanice.

I to možete napraviti; možete oblikovati viruse

da pogode samo one određene stanice.

Postoje i drugi genetički trikovi koje možete iskoristiti

kako biste dobili stanice koje se aktiviraju svjetlom.

To je polje postalo poznato kao optogenetika.

I kao samo jedan primjer onoga što možete napraviti,

možete uzeti kompleksnu mrežu,

iskoristiti jedan od ovih virusa da dostave gene

određenoj vrsti stanica u ovoj gustoj mreži.

I tada, kada osvjetlite cijelu mrežu,

aktivirat će se samo taj tip stanica.

Pa na primjer, hajdemo uzeti u obzir onu košarastu stanicu o kojoj sam vam govorio ranije --

onu koja je zakržljala u slučaju šizofrenije

i koja je inhibicijska.

Ako možete dostaviti taj gen u te stanice --

one neće biti izmijenjene u genetskom smislu, naravno --

i tada bljesnete plavim svjetlom preko cijele mreže mozga,

samo će te stanice biti pokrenute.

Kada se svjetlo ugasi, stanice se vrate u normalno stanje;

dakle, čini se da se one ne protive tome.

Ne samo da možete to iskoristiti kako biste proučavali što te stanice mogu

i koja je njihova moć u računanju mozga

već i to možete iskoristiti kako biste shvatili --

pa možda biste mogli oživjeti aktivnost tih stanica

ako one zaista jesu atrofirane.

Sada vam želim ispričati nekoliko kratkih priča

o tome kako to koristimo

i na znanstvenim, kliničkim i predkliničkim razinama.

Jedno od pitanja s kojima smo suočeni jest:

„Koji signali u mozgu posreduju pri osjećaju nagrađenosti?“

Jer, kada bismo ih mogli pronaći,

oni bi mogli biti neki od signala koji bi mogli upravljati učenjem.

Mozak bi radio više onog što dovodi do te nagrade.

Također, postoje signali koji se iskrive u poremećajima poput ovisnosti.

Pa, kada bismo mogli shvatiti koje su to stanice,

možda bismo mogli pronaći nove mete

za koje bi lijekovi mogli biti dizajnirani ili ograđeni od njih

ili možda mjesta gdje bi elektrode mogle biti postavljene

za ljude koji imaju veoma ozbiljan invaliditet.

Kako bismo to napravili, smislili smo veoma jednostavnu paradigmu

u suradnji s Fiorella grupom,

gdje jedna strana ove male kutije,

ako životinja ode tamo, životinja dobije puls svjetla,

kako bi se određene stanice u mozgu učinile osjetljivima na svjetlo.

Ako te stanice mogu posredovati nagrađivanjem,

životinja bi trebala tamo odlaziti sve više i više.

I to je ono što se događa.

Ova će životinja otići u desnu stranu i dotaknuti svoj nos tamo;

ona dobije bljesak plavog svjetla svaki put kada to napravi.

I učinit će to stotinama i stotinama puta.

To su neuroni dopamina,

o kojima ste možda nešto čuli slušajući o centrima za užitak koji se nalaze u mozgu.

Sada smo pokazali da je njihova kratka aktivacija

zaista dovoljna da stimulira učenje.

Sada možemo tu ideju generalizirati.

Umjesto jedne točke u mozgu,

možemo izumiti naprave koje obuhvaćaju cijeli mozak,

koje mogu provesti svjetlo u trodimenzionalnim modelima --

mnoštvo optičkih vlakana,

svaki sparen u vlastiti, minijaturni svjetlosni izvor.

I tada možemo probati učiniti uživo stvari

koje su dosad bile rađene samo u posudama --

poput visokopropusnog skeniranja cijelog mozga

za signale koji mogu uzrokovati određene stvari.

Ili mogu biti dobre kliničke mete

za liječenje moždanih poremećaja.

Jedna priča koju vam želim ispričati

je o tome kako pronalazimo mete za liječenje posttraumatskog stresnog poremećaja --

oblika nekontrolirane anksioznosti i straha.

Jedna od stvari koju smo napravili

jest da smo prilagodili klasičan model straha.

Ovo odlazi natrag u doba Ivana Pavlova.

Zove se Pavlovo uvjetovanje strahom --

gdje ton završava kratkim šokom.

Šok nije bolan, ali je pomalo iritantan.

I nakon nekog vremena -- u ovom slučaju miš,

koji je dobra životinja za model, često korištena u takvim eksperimentima --

životinja se nauči bojati tona.

Životinja će reagirati zamrzavanjem,

pomalo kao jelen ispred prednjih svjetala.

Pitanje je koje mete u mozgu možemo naći,

a da će nam dopustiti da nadvladamo ovaj strah?

Ono što činimo jest puštanje toga tona ponovno,

nakon što je bio povezan sa strahom.

Ali aktiviramo mete u mozgu, neke druge,

koristeći mnoštvo optičkih vlakana o kojima sam vam govorio na prošlom slajdu,

kako bismo pokušali shvatiti koje mete u mozgu

mogu uzrokovati nadvladavanje tog sjećanja straha.

Tako vam ovaj kratak video

pokazuje jednu od tih meta na kojima trenutno radimo.

Ovo je područje u prefrontalnom korteksu,

u regiji gdje saznanja možemo iskoristiti, kako bismo pokušali premostiti neželjena emotivna stanja.

Životinja će čuti ton -- i bljesak svjetla se ondje dogodi.

Nema zvuka na ovome, ali možete vidjeti životinju kako se zaustavlja.

Ovaj ton značio je prije loše vijesti.

Ondje je mali sat u donjem lijevom kutu

pa možete vidjeti da je životinja otprilike dvije minute u tome.

Sada je ova snimka

samo osam minuta kasnije.

Isti ton bit će pušten i svjetlo će opet bljesnuti.

Ok, evo ga. Upravo sada.

I sada možete vidjeti, u samo deset minuta eksperimenta,

da smo opremili mozak aktivirajući ovo područje svjetlom,

kako bismo premostili ovo sjećanje

na osjećaj straha.

Tijekom zadnjih nekoliko godina vratili smo se stablu života

jer smo željeli pronaći načine za isključivanje sklopova u mozgu.

Kad bismo to mogli, bilo bi to veoma moćno.

Kad bismo mogli poništiti stanice samo na milisekundu ili sekunde,

mogli bismo shvatiti kakvu nužnu ulogu one igraju

u sklopovima u koje su uključene.

I sad smo preispitali organizme sa svih razina stabla života --

svako carstvo života, osim životinja, vidimo malo drugačije.

Našli smo razne vrste molekula koje se zovu halorodopsini ili arhearodopsini,

a koje reagiraju na zeleno i žuto svjetlo.

One čine suprotnu stvar od molekule s aktivatorom plavog svjetla

channelrodopsinom, o kojoj sam vam pričao ranije.

Hajdemo dati primjer za ono što mislimo kamo će sve ovo otići.

Razmotrite, na primjer, stanje poput epilepsije,

gdje je mozak pretjerano aktivan.

Ako lijekovi zakažu u tretiranju epilepsije,

jedna je od strategija da se ukloni dio mozga.

Ali to je očito nepovratno i moguće su neželjene posljedice.

Što ako bismo mogli jednostavno isključiti taj mozak na kratko vrijeme,

dok napad ne prođe,

i vratiti mozak u početno stanje --

pomalo kao dinamični sistem koji je primoran natrag u stabilno stanje.

Dakle, ta animacija samo pokušava objasniti taj koncept

u kojem smo stanice učinili osjetljivima na gašenje svjetlom

i tada usmjerili svjetlo unutra

samo za vrijeme potrebno da se napad zaustavi;

nadamo se da ćemo ga moći ugasiti.

Nemamo podatke za pokazati vam u vezi toga,

ali smo jako uzbuđeni zbog toga.

Sada želim završiti s jednom pričom,

za koju mislimo da je druga mogućnost --

a to je da možda te molekule, ako možete koristiti preciznu kontrolu,

mogu biti korištene u samom mozgu,

kako bi napravile novu vrstu prostetike, optičku prostetiku.

Već sam vam rekao da električni stimulatori nisu neobični.

Sedamdeset pet tisuća ljudi ima ugrađene stimulatore duboko u mozgu za Parkinsonovu bolest.

Možda 100.000 ljudi ima kohlearne implantante

koji im omogućuju da čuju.

I još jedna stvar, a to je da morate nekako dopremiti te gene u stanice.

Nova nada u genskoj terapiji bila je razvijena

zbog virusa poput adenovirusa,

koji vjerojatno ima većina nas u ovoj prostoriji,

a za koji ne postoje nikakvi simptomi

koji su korišteni u stotinama pacijenata,

kako bi se geni izručili u mozak ili tijelo.

Dosada nije bilo ozbiljnijih štetnih događaja

povezanih s virusom.

Postoji još jedan slon u prostoriji, sami proteini,

koji dolaze od algi, bakterija, gljiva

i drugih vrsta živih bića.

Većina nas nema gljiva ili algi u svom mozgu,

dakle, što će naš mozak učiniti ako to unesemo unutra?

Hoće li stanice to tolerirati? Hoće li reagirati imunološki sustav?

U ranim danima -- i ovi nisu bili provedeni na ljudima još uvijek --

ali radili smo na mnogo različitih studija

kako bismo to ispitali.

Dosad nismo vidjeli očite reakcije bilo kakve jačine

na te molekule

ili osvjetljenje mozga svjetlom.

Dakle, to su rani stadiji, da budemo iskreni, ali veoma smo uzbuđeni zbog toga.

Želio sam završiti s jednom pričom,

za koju smatramo da bi potencijalno

mogla biti klinička aplikacija.

Postoje mnogi oblici sljepoće

gdje fotoreceptori,

naši svjetlosni senzori koji su u stražnjem dijelu oka, ne funkcioniraju.

I mrežnica je, dakako, kompleksna struktura.

Hajdemo ju ovdje zumirati, kako bismo ju detaljnije vidjeli.

Stanice fotoreceptora pokazane su na vrhu

i tada signali koji su detektirani fotoreceptorima

bivaju transformirani raznim komputacijama,

dok napokon taj sloj stanica na dnu, stanice ganglija,

ne prenesu informaciju mozgu,

gdje mi to vidimo kao percepciju.

U mnogim oblicima sljepoće, poput retinitis pigmentoze

ili degeneracije makule,

fotoreceptori su zakržljali ili su uništeni.

Kako bi se to moglo popraviti?

Čak nije ni jasno bi li se lijek mogao koristiti da se to vrati

jer ne postoji ništa za što bi se lijek vezao.

S druge strane, svjetlost još uvijek može ući u oko.

Oko je još uvijek prozirno i u njega možete uvesti svjetlo.

Dakle, što ako bismo mogli jednostavno uzeti te channelrodopsine i druge molekule

i postaviti ih na neke od tih preostalih, rezervnih stanica

i pretvoriti ih u male kamere?

Zbog postojanja mnoštva tih stanica u oku,

potencijalno, to bi mogle biti visokorezolucijske kamere.

Ovo je nešto od posla kojim smo se bavili.

Vodi ga jedan od naših suradnika,

Alan Horsager s USC-a,

a nova tvrtka Eos Neuroznanost, osnovana od strane

NIH-a (Nacionalnih instituta za zdravlje) ga traži za komercijalizaciju.

Ovdje vidite miša koji pokušava proći labirintom.

To je labirint sa šest rukavaca. Tamo je malo vode u labirintu,

kako bi se miša motiviralo da se kreće, inače će samo sjediti ondje.

Cilj ovog labirinta jest, naravno,

izaći iz vode i otići na malu platformu

koja je ispod osvjetljenog ulaza.

Miševi su pametni pa ovaj miš na kraju rješava labirint,

ali ga pretražuje grubom silom.

On pliva svakim prolazom dok na kraju napokon ne dođe do platforme.

Ne koristi se vidom.

Ovi različiti miševi predstavljaju razne mutacije

koje oslikavaju različite vrste sljepoće koje pogađaju ljude.

Zato oprezno pregledavamo te različite modele,

kako bismo došli do općeg pristupa.

Dakle, kako ćemo ovo riješiti?

Učinit ćemo upravo ono što smo naznačili na posljednjem slajdu.

Uzet ćemo te fotosenzore plavog svjetla

i postaviti ih na sloj stanica

na sredini mrežnice u stražnjem dijelu oka

i pretvorit ćemo ih u kameru.

Baš poput instaliranja solarnih ćelija po tim neuronima

kako bismo ih učinili osjetljivima na svjetlost.

Na njima je svjetlost pretvorena u elektricitet.

Dakle, ovaj je miš bio slijep nekoliko tjedana prije pokusa

i primio je jednu dozu tih molekula osjetljivih na svjetlo u virusu.

Sada možete vidjeti: životinja zaista može izbjegavati zidove

i otići na tu malu platformu

i ponovno svjesno koristiti svoje oči.

Još jedan plus u tome:

ove životinje mogu doći do platforme

jednako brzo kao životinje koje vide cijeli život.

Dakle, ovo je predklinička nauka. Mislim,

mnogi se nadaju onim stvarima

koje ćemo jedanput, nadamo se, i mi moći činiti.

Da završim, želio bih istaknuti da također istražujemo

nove poslovne modele za ovo novo polje neurotehnologije.

Razvijamo ova oruđa,

ali dijelimo ih besplatno sa stotinama grupa diljem svijeta,

kako bi ljudi mogli proučavati i liječiti različite poremećaje.

Nadamo se da ćemo, shvaćajući moždane sklopove

na razini apstrakcije koja nam dozvoljava da ih popravljamo i njima upravljamo,

moći uzeti neke od neukrotivih poremećaja, o kojima sam vam ranije govorio,

od kojih praktički nijedan nije izliječen,

i u 21. stoljeću ih učiniti prošlošću.

Hvala vam.

(Pljesak)

Juan Enriquez: Dakle, neke od ovih stvari malo su guste.

(Smijeh)

Ali implikacije

mogućnosti da se kontroliraju napadi epilepsije

sa svjetlom, umjesto s lijekovima,

i da se posebno ciljaju

jest prvi korak.

Sljedeći, mislim da sam vas tako čuo,

jest taj da sada možete kontrolirati mozak u dvjema bojama.

Poput prekidača upali-ugasi.

Ed Boyden: Tako je.

JE: Što svaki impuls koji prolazi mozgom čini binarnim kodom.

EB: Tako je, da.

Dakle, plavim svjetlom možemo provesti informacije i to je u obliku jedinice.

Isključujući stvari, to je više-manje nula.

Dakle, nadamo se da ćemo na kraju izgraditi koprocesore

u mozgu koji s njim surađuju,

kako bismo mogli povećati funkcije kod ljudi s invaliditetom.

JE: A u teoriji to znači da,

dok miš osjeća, miriše,

sluša, dodiruje,

možete modulirati kao niz jedinica i nula.

EB: Svakako, da. Nadamo se da ćemo to koristiti kao način testiranja

koji neutralni kodovi mogu pokrenuti određena ponašanja,

određene misli i određene osjećaje,

i iskoristiti to kako bismo bolje razumjeli mozak.

JE: Znači li to da ćemo jednog dana moći „skinuti“ sjećanja

i možda ih postavljati?

EB. Pa to je nešto na čemu počinjemo veoma marljivo raditi.

Sada radimo na nečemu

gdje pokušavamo pokriti mozak također elementima snimača.

Tako možemo snimiti informacije i tada ih opet provesti unutra --

poput računanja onoga što mozak treba,

kako bismo poboljšali procesuiranje informacija.

JE. Pa, to bi moglo promijeniti neke stvari. Hvala vam. (EB: Hvala vama.)

(Pljesak)