Megjavíthatjuk az agyat úgy, mint az áramköröket? | Jin Hyung Lee | TEDxKFAS

Az agyi rendellenességek vagy betegségek közé tartozik az epilepszia, a Parkinson- és Alzheimer-kór, az autizmus, agyi érkatasztrófa és a depresszió. Az agyi rendellenességek vagy betegségek lesújtók, gyakoriságuk egyre nő, és jelenleg gyógyíthatatlanok. Mi van, ha az agy úgy működik, mint egy áramkör? Ha meg tudjuk találni, mi az agyi hálózat hibája, akkor meg is tudjuk javítani úgy, mint egy áramkört. Jin Hyung Lee alapdiplomáját a Szöuli Nemzeti Egyetemen, villamosmérnöki mester- és doktori fokozatát pedig a Stanford Egyetemen szerezte. A következő díjakat tudhatja magáénak: 2008 NIH/NIBIB K99/R00 Pathway to Independence Award, 2010 NIH Director’s New Innovator Award, 2010 Okawa Foundation Research Grant Award, 2011 NSF CAREER Award, 2012 Alfred P. Sloan Research Fellowship, 2012 Epilepsy Therapy Project Award, 2013 Alzheimer’s Association New Investigator Award, 2014 IEEE EMBS BRAIN Young Investigator award, 2017 NIH/NIMH BRAIN Grant Award, 2018 Lina 50+ Award Grand Prize. A villamosmérnök végzettségű és az idegtudomány-kutatás iránt érdeklődő Jin Hyung Lee célja az agyi hálózatot innovatív technológiák segítségével elemezni, szerkeszteni és megtisztítani a hibáktól.

Ezt az előadást egy TEDx rendezvényen rögzítették, amelyet a TED konferenciák formájában, de tőlük függetlenül egy helyi közösség szervezett. Bővebben: http://ted.com/tedx

Úgy gondolom, sokunk tölti
az ideje jó részét tanulással.

Életünk első napjaitól
kezdve tanulunk járni, beszélni,

és évek kitartó munkájával

bámulatos művészekké,

minden képzeletet
felülmúló sportolókká,

kreatív szellemiségű
tudósokká és mérnökökké válunk,

ami olyan érdekessé teszi
a világot, amelyben élünk,

amilyennek megismertük.

Mégis, amikor agyi rendellenesség
ér bennünket,

kétségbeejtő visszaesést tapasztalunk,

amelyből a legtöbbünk sosem épül fel.

Ez nem igyekezet kérdése,

nem számít, mit teszünk,

legtöbben sohasem tudjuk visszaszerezni
a kitartó munkával szerzett eredményeket,

amelyeket életünk során elértünk.

Világklasszis sportolók
nem tudnak többé járni,

és a legragyogóbb elmék
képtelenné válnak

a leghétköznapibb
rutinfeladatok elvégzésére.

Miért van ez?

Miért van az, hogy még mind a mai napig
ebben a sötét korban járunk,

ahol nem tudunk mit kezdeni
ezekkel az idegbetegségekkel?

Egy lehetséges magyarázat erre,

hogy teljes mértékben
figyelmen kívül hagytuk

az aggyal kapcsolatos
egyik igen fontos tényt,

nevezetesen: az agy hálózat.

Idegbetegségek elleni
számos törekvésünk során

figyelmen kívül hagytuk ezt a tényt,
ami talán oka a jelenlegi helyzetnek.

Az elmúlt évtizedek olyan
lenyűgöző tudományos újításai,

mint pl. a humán genom projekt,

amelynek hála már sokkal többet
tudunk a testünkben lévő minden génről,

és az azt követő fejlesztések
a molekuláris- és sejtbiológia területén

rengeteg ismeretet nyújtanak

szervezetünk sejtjeinek működéséről.

Az agy esetében viszont

az egyik legfontosabb dolog,
amelyet szem előtt kell tartani,

az a neurális hálózat állapota.

Az agy egészségének
fenntartásakor a legfőbb cél

a neurális hálózat működését
e normál tartományban tartani.

Számos oka lehet annak,
hogy kicsúszunk a normál tartományból,

legyen az genetikai hajlam,
az életmódunk, sérülés, fertőzés,

vagy csak önmagában az öregedés.

A normál tartományba való visszatérést
célzó kísérletek magukban foglalhatják

az ok megszüntetését, amely miatt
az agyi rendellenesség fellépett,

de valójában az ok megszüntetése
nem fogja feltétlenül visszaállítani

a hálózat normál állapotát.

Azt is fontos észben tartani,
hogy talán valami mást is tenni kell

a normál tartományba való
visszatérés érdekében.

De a legfontosabb,
e feladat elvégzéséhez,

vagyis a neurális hálózat
működésének újbóli normalizálásához

tudnunk kell, mi is az.

A hálózat működésének
és célunk ismerete nélkül

nagyon nehéz véghezvinni ezt a feladatot.

Röviden, ha meg tudjuk találni,
mi az agyi hálózat hibája,

az agyat is képesek lehetünk megjavítani
ugyanúgy, ahogy az áramköröket.

De aki mostanában ellátogat egy klinikára,

aligha találkozik ilyen
rendszerszerű megközelítéssel.

Igen keveset tudnak tenni azért,
hogy felmérjék az agyi hálózat állapotát,

főként technikai korlátok miatt.

Az agyi hálózat működésének mérésével

csak EEG-t használó
epilepsziaklinikán foglalkoznak,

mert ott elektródákat
helyeznek a koponyára,

hogy lemérjék az agy
elektromos tevékenységét.

A világszínvonalú klinikán
végzett mérések során

orvosok figyelik

ezeket az elektromos tevékenységet
mutató görbéket,

és csak ülnek ott órákon át,

és próbálnak kimutatni
bármilyen rendellenes jelenséget,

miközben vélhetően megpróbálják kitalálni,

mit jelenthet ez a hálózat
rendellenes működésére nézve.

Természetesen ez nagyon nehéz feladat,

és nagyon korlátozott
információ származik belőle.

Érdekes módon, annak ellenére,

hogy az agyi hálózat állapotát csak
nagyon korlátozottan tudjuk értelmezni,

az egyik legújabb, legígéretesebb
terápia az agyi betegségek kezelésére

idegingerlés-terápiát alkalmaz.

Az idegingerlés-terápia során

elektródákat helyeznek közvetlenül
az agyba, és elektromos impulzusokkal

igyekeznek normalizálni
a hálózat működését.

Ez közvetlen elektromos beavatkozás,
amely figyelembe veszi a tényt,

hogy az agy ténylegesen áramkör.

Az idegingerlés-terápia
egyik lenyűgöző vívmánya az,

hogy elektromos ingerlés segítségével

fel lehetett ébreszteni olyan betegeket,

akik eszméletlen állapotban
voltak több mint hat évig.

A beteg az eszméletlen állapotából

csupán az elektromos impulzus
hatására ébredt fel,

ami lenyűgöző teljesítmény.

De ha vaktában cselekszünk,

sok probléma adódik.

Nehéznek bizonyul
megismételni az eredményt,

és más esetekben azt figyelték meg,

hogy a betegségre alkalmazott
ugyanazon terápia

néha javít a beteg állapotán,

néha pedig még ront is rajta.

Miért van ez?

Képzeljék el, hogy megpróbálják
megjavítani az áramkörüket!

Akik nincsenek tisztában
a hálózat működésével,

megpróbálják újra életre lehelni.

Ha szerencséjük van, talán működhet.

És ha elég sokszor próbálkoznak,
talán ráhibáznak,

de ez nyilván nagyon nehéz feladat lenne.

Az ok, amiért ezt eddig
próba-szerencse alapon végeztük,

megint csak főként a technikai
korlátokban keresendő.

A laboratóriumunkban nemrég
új technológiák ötvözésével

próbáltuk megoldani
ezt a problémát, ami lehetővé teszi,

hogy önállóan irányítsuk
a neurális hálózat különböző elemeit.

Mindeközben nagy felbontású
térbeli képalkotást is végzünk,

hogy lássuk, milyen következményeket
idéznek elő a különböző beavatkozások.

Itt pl. ingereltük
a talamusz középső részét,

azt, amelynek ingerlésével a kómában
lévő betegeket felébresztették,

de egy esetben, amikor kisfrekvencián,
10 Hz-cel ingereltük,

az alany elveszítette az eszméletét,

míg ha egyszerűen megváltoztatjuk
az ingerlés frekvenciáját

100 Hz-es nagyfrekvenciára,

ugyanaz az alany visszanyerte eszméletét.

Ez figyelemre méltó eltérés egy
ellentétes pólusú spektrumon.

Az agy működését közvetlenül
megfigyelve pedig azt láthatjuk,

hogy ez amiatt van,

hogy az agyi hálózat
teljesen eltérő módon reagál.

10 Hz-es ingerlés esetén látható,

hogy az agy nagy területen le van gátolva,

ezt jelöli a kék szín,

míg a másik esetben,
nagyfrekvenciás ingerlés hatására

az agy nagy területen helyreáll,
ahogy a piros színű videón látható.

És mivel

a nagyfrekvenciás ingerlés az agy
igen nagy területét állította helyre,

ez indító áramkörként működött,

előidézve az éber állapotot,

míg a másik esetben

az érzékelő területek gátlása miatt
az illető elveszítette az eszméletét.

Közvetlenül megvizsgálva, mi történik,

ha beavatkozunk a hálózatba,

s mi a mögöttes mechanizmus, megérthetjük,

hogyan lehet beavatkozni
a hálózatba a kívánt eredmény eléréséhez.

Sőt, ha e technológiát

számítógépes modellel egészítjük ki,

azzal megérthetjük

az egyes viselkedési egységek
alapját képező hálózati algoritmust.

Ez esetben igen fontos
hálózatot befolyásolunk:

a Parkinson-kórral összefüggésbe
hozható nagyon fontos sejttípust.

És ha kiemelten e sejttípust szabályozzuk,

akkor ennél a rágcsálónál
megnövekedett mozgás figyelhető meg:

az óra járásával egyező irányú forgás.

Ez a konkrét viselkedés pedig
olyan algoritmushoz köthető,

amelyben az agy különböző
részei lépnek kapcsolatba

és kommunikálnak egymással,
hogy előidézzék ezt a mozgást,

így elkezdhetjük elemenként feltárni,

hogy az agy miként irányítja
az egyes viselkedési egységeket.

Sok szó esik az agy komplexitásáról.

Az agy százmilliárd idegsejtből áll;

mondhatni, irányítása lehetetlen feladat;

egyre többet kell megtudnunk róla ahhoz,

hogy bármit tehessünk
a felmerülő problémák ellen.

Lehet, hogy képesnek kell
lennünk lemodellezni

az agy mindenféle tevékenységét,

megszámolni minden egyes
idegsejtet, felvételt készítenünk róluk,

és megismerni a működésüket.

Ez mind hasznos információ,

amely elősegíti az agyműködés
teljesebb megértését.

A különböző viselkedési egységek

algoritmushoz kapcsolódását ismerve

már értelmezhetjük az áramkörrendszert,

anélkül hogy teljes képünk lenne róla.

Felhőkarcolók építésekor sem oldjuk meg

feltétlenül az összes
differenciálegyenletet

az épület minden egyes eleméhez.

Elég, ha értünk bizonyos
szervezési alapelveket.

Most már olyan szintű tudás birtokosai
vagyunk, hogy kezdhetünk építeni rá.

Az alapelv klinikai alkalmazásához

platformokat kezdtünk építeni,

amelybe egyedi információt
gyűjthetünk betegeink hálózatáról.

Ez esetben a korábbi EEG diagramokról
ismerős görbéket láthatunk.

Az EEG-kből automatikusan kimutathatunk

különböző jelenségeket,

hogy aztán a számunkra lényegesek alapján

feltérképezzük a hálózat működését.

Közvetlenül láthatóvá tehetjük

az agyi hálózat dinamikus változásait,

és diagramokat is készíthetünk
a kölcsönhatásukról.

Ezt pedig már alkalmazni
tudjuk élő betegeken, egyénileg.

Azáltal, hogy képessé válunk
megérteni a betegek egyedi agyi hálózatát,

elkezdhetjük személyre
szabottan kezelni őket,

oly módon, ahogy az áramköröket
javítanánk meg.

Ilyen tudás birtokában már a jövőben

klinikai adatokkal

egyénileg diagnosztizálhatjuk a bajt

minden egyes agyban,

és az ilyen hálózati tudás alapján

optimalizálhatjuk
a jelenlegi kezeléseket is.

Ugyan nincs gyógymód
egyetlen idegbetegségre sem,

de sokféle olyan terápiás
lehetőség létezik jelenleg,

amelyek azért nehézkesek,

mert alkalmazásuk legtöbbször
próba-szerencse alapú.

De most a neurális hálózatról
szóló információ birtokában

pontosan előre jelezhetjük
a betegek reagálását,

s azt hozzáigazíthatjuk az adott beteghez.

E terápiák közül néhány nagyon
invazív, sebészeti beavatkozás.

Jelenleg a betegeknek azt mondják:
kifogytak a nem invazív lehetőségekből,

és így rajtuk áll, hogy kipróbálják,
ami még elérhető.

Ez brutális döntés elé állítja a beteget.

Most, hogy rendszerszerű információt
kaphatunk a hálózatunkról,

pontosan előre jelezhető,

hogy az adott kezelés valóban
helyreállítja-e a hibás hálózatot.

Továbbá,

ha minden egyes beteg agyát
egyedileg mérjük fel,

azzal első ízben kaphatunk tiszta képet

a hálózat részeinek hibás működéséről

az idegbetegségek esetében.

És ha egyszer ez megvan,

egészen új megközelítésű

idegbetegség-kezeléseket
fejleszthetünk ki.

Jelenleg csak sejt- és molekuláris
mechanizmusokat céloznak,

és amikor olyasmit tervezünk,
mint az idegingerlés-terápia,

azt próba-szerencse alapon próbálják ki.

Nem kell többé így tennünk.

Ha rendszerszerű a megközelítésünk,

amely áramkörök megjavításához hasonló,

új megvilágításba helyezzük a kérdést,

és teljesen meg tudjuk
változtatni az eddigi elképzeléseket.

Látni, ahogy szeretteink
idegbetegséggel küzdenek,

az egyik legszörnyűbb, legkeservesebb
élmény, amit valaki átélhet.

Tehetetlenségünk tudata

kétségbeejtő.

De már látni a fényt az alagút végén.

Megtanultuk, hogyan építsük
fel a megoldást lépésről lépésre,

és világos cél felé haladunk.

Ha egyszer néhány építőelemet
helyreillesztettünk,

elképzelhetjük, milyen lehet
felhőkarcolót építeni.

Ezért kitartóan fogunk
dolgozni, hogy elérjük a célt,

és hogy hamarosan új kort teremtsünk,

amelyben az idegbetegségek
közvetlenül gyógyíthatók.

Köszönöm szépen.

(Taps)