Denk eens even na over je dag. Je werd wakker en voelde de frisse lucht op je gezicht toen je de deur uitliep. Je ontmoette nieuwe collega's, voerde interessante discussies en voelde ontzag als je iets nieuws had gevonden. Maar ik wed dat er iets is waar je vandaag niet aan dacht - iets zo dicht bij huis dat je er waarschijnlijk helemaal niet vaak aan denkt. Dat is dat alle sensaties, gevoelens, beslissingen en acties verlopen via die computer in je hoofd: de hersenen. Van buiten af bekeken hebben de hersenen hun uiterlijk niet mee - een goede kilo vormeloos, roze-grijs vlees. De laatste honderd jaar van neurowetenschappelijke ontwikkeling hebben ons in staat gesteld om in te zoomen op de hersenen en de complexiteit ervan te zien. We weten nu dat de hersenen een ongelooflijk ingewikkeld netwerk zijn, opgebouwd uit honderden miljarden cellen, neuronen genaamd. In tegenstelling tot een door de mens ontworpen computer, waar er een vrij klein aantal verschillende onderdelen zijn - waarvan we weten hoe ze werken, omdat mensen hen ontwierpen - bestaan de hersenen uit duizenden verschillende soorten cellen, misschien wel tienduizenden. In allerlei verschillende vormen en opgebouwd uit verschillende moleculen. Ze zijn gericht op en verbonden met de verschillende hersengebieden. Hun werking verandert ook op verschillende manieren bij verschillende ziektebeelden. Laten we het concreet maken. Er bestaat een klasse van cellen, vrij kleine cellen, inhiberende cellen, die hun buren stilleggen. Het is één van de soort cellen die geatrofieerd lijken te zijn bij ziekten als schizofrenie. Ze heten korfcellen. Een korfcel is een van de duizenden soorten cellen die we bestuderen. Elke dag worden er nieuwe ontdekt. Een tweede voorbeeld: deze piramidale cellen, grote cellen, kunnen een aanzienlijk deel van de hersenen omvatten. Ze sturen prikkels uit. Dit zijn enkele van de cellen die overactief kunnen zijn bij aandoeningen zoals epilepsie. Elk van deze cellen is een ongelooflijk elektrisch apparaat. Zij ontvangen invoer van duizenden partners hogerop en berekenen hun eigen elektrische uitvoerdata, die vervolgens, als ze een bepaalde drempelwaarde overschrijden, naar duizenden lagere partners zullen gaan. Dit proces, dat slechts één milliseconde of zo in beslag neemt, gebeurt duizenden keren per minuut in elk van je 100 miljard cellen. Zo lang je leeft, denkt en voelt. Hoe gaan we nu erachter komen wat dit netwerk doet? Idealiter zouden we het netwerk kunnen nagaan, verschillende soorten cellen in- en uitschakelen en zien of we kunnen achterhalen welke een bijdrage leveren aan bepaalde functies en welke in de fout gaan bij bepaalde pathologieën. Als we cellen zouden kunnen activeren, konden we zien welke effecten zij kunnen veroorzaken, wat ze kunnen in gang zetten en in stand houden. Als we ze konden uitschakelen, dan konden we proberen uit te vissen wat hun functie is. Daarover ga ik het vandaag hebben. De afgelopen 11 jaar zijn we bezig geweest met het zoeken naar een manier om netwerken, cellen, routes en delen van de hersenen aan en uit te schakelen. Dit zowel om de wetenschap ervan te begrijpen als om enkele van de problemen, waarmee wij mensen geconfronteerd worden, te lijf te gaan. Voordat ik wat ga vertellen over de technologie, het slechte nieuws is dat een belangrijk deel van ons in deze zaal, als we lang genoeg leven, misschien zal te maken krijgen met een hersenaandoening. Al één miljard mensen hebben een hersenaandoening gehad, die hen ernstig beperkt. De cijfers alleen vertellen niet alles. Deze aandoeningen - schizofrenie, Alzheimer, depressie, verslaving - verkorten niet alleen ons leven, ze veranderen wie we zijn. Ze beroven ons van onze identiteit en veranderen onze emoties - en veranderen wie we zijn als mensen. In de 20e eeuw was er enige hoop door de ontwikkeling van geneesmiddelen voor de behandeling van hersenaandoeningen. Er werden veel medicijnen ontwikkeld om de symptomen van hersenaandoeningen te verlichten. Maar vrijwel geen enkele van die ziektes kon genezen worden. Voor een deel doordat we de hersenen overspoelen met het medicijn. Dit uitgebreide netwerk, bestaande uit duizenden verschillende soorten cellen, wordt overspoeld met een stof. Dat is ook de reden waarom misschien het grootste deel van de geneesmiddelen op de markt ernstige bijwerkingen vertonen. Sommige mensen vonden wat verlichting door elektrische stimulatoren, geïmplanteerd in hun hersenen. Voor de ziekte van Parkinson en cochleaire implantaten zijn ze inderdaad in staat geweest een remedie te vormen voor mensen met bepaalde ziekten. Maar elektriciteit gaat in alle richtingen, volgt de weg van de minste weerstand - dat is waar die uitdrukking, voor een deel, vandaan komt. Ze zal ook invloed hebben op de normale netwerken zowel als op de abnormale, die je wil herstellen. We komen terug bij het idee van ultra-nauwkeurige controle. Zouden we informatie precies kunnen sturen naar waar we willen dat ze gaat? Toen ik 11 jaar geleden in de neurowetenschappen begon, was ik opgeleid als elektrotechnisch ingenieur en natuurkundige. Het eerste wat ik dacht was: als deze neuronen elektrische apparaten zijn, is de opdracht een manier vinden om die elektrische veranderingen van op afstand te sturen. Als we de elektriciteit in één bepaalde cel konden aanzetten, maar niet zijn buren, dan hadden we het gereedschap om deze verschillende cellen te activeren en uit te schakelen. Zo zouden we erachter kunnen komen wat ze doen en wat hun rol is in de netwerken waar ze zijn ingebed. Ook zou het ons in staat stellen om ultra-nauwkeurige controle uit te oefenen om foute netwerkberekeningen te herstellen. Hoe gaan we dat doen? Er bestaan tal van moleculen in de natuur die in staat zijn om licht om te zetten in elektriciteit. Je kan ze beschouwen als kleine eiwitmoleculen die werken als zonnecellen. Als we deze moleculen in neuronen kunnen inbouwen, dan worden deze neuronen elektrisch aanstuurbaar met licht. Maar niet hun buren, die niet over het molecuul beschikken. Er is nog een andere magische truc nodig om dit allemaal te laten gebeuren: hoe krijg je licht in de hersenen? Dat kan - hersenen voelen geen pijn - door gebruik te maken van alle uitvindingen gedaan voor het internet, communicatie enzovoort - zoals optische vezels verbonden met lasers. Die kan je gebruiken om in diermodellen in preklinische studies, deze neuronen te activeren om te zien wat ze doen. Hoe doen we dit nu? Rond 2004, in samenwerking met Gerhard Nagel en Karl Deisseroth, kwam deze visie tot bloei. Er bestaan algen die naar het licht moeten kunnen navigeren voor een optimale fotosynthese. Het licht wordt opgevangen met een klein oogvlekje, dat een beetje als ons eigen oog werkt. In het membraan aan de buitenkant zitten kleine eiwitten die licht in elektriciteit kunnen omzetten. Deze moleculen worden kanaalrhodopsinen genoemd. Deze eiwitten werken een beetje als zonnecellen. Wanneer er blauw licht op valt, gaat er een klein gaatje open. Dat laat geladen deeltjes binnen in de oogvlek. Daardoor kan deze oogvlek een elektrisch signaal afgeven net zoals een zonnecel een batterij kan opladen. Op de een of andere manier moeten we deze moleculen in neuronen weten te installeren. Omdat het een eiwit is, zit het in het DNA van dit organisme gecodeerd. Alles wat we moeten doen is dat DNA eruit halen, het inbouwen in een gentherapie-vector, zoals een virus, en het overbrengen naar de neuronen. Het was een zeer productieve tijd in de gentherapie, er waren veel virussen beschikbaar. Het bleek heel eenvoudig om te doen. We probeerden het vroeg in de ochtend op een zomerdag in 2004 en het werkte bij de eerste poging. Je neemt dit DNA en je plaatst het in een neuron. Het neuron maakt gebruik van zijn natuurlijke eiwitproductiemachinerie om deze kleine lichtgevoelige eiwitten te fabriceren en ze over de hele cel te installeren, bijna als zonnepanelen op een dak. Voor je het weet, heb je een neuron dat kan worden geactiveerd met licht. Dit is een zeer krachtig hulpmiddel. Je moet er wel achter zien te komen hoe je deze genen aan de juiste cellen aflevert en niet aan alle andere buren. Dat kan. Je kan de virussen zo instellen dat ze slechts op enkele cellen inwerken en op andere niet. Er zijn nog andere genetische trucs die je kan bovenhalen om door licht geactiveerde cellen te krijgen. Dit onderzoeksveld is nu bekend komen te staan als optogenetica. Een voorbeeld hiervan is: een van deze virussen gebruiken om zijn gen alleen maar in één soort cel van zo'n dicht netwerk af te leveren. Als je dan licht op het gehele netwerk laat vallen, zal enkel dat celtype worden geactiveerd. Bijvoorbeeld zo'n korfcel waar ik het daarstraks over had - die atrofieert bij schizofrenie - en die een remmende functie heeft. Als we dat gen kunnen leveren aan deze cellen - en hun functie niet zal gewijzigd worden door de expressie van het gen, natuurlijk - en vervolgens blauw licht over het hele hersenennetwerk laten schijnen, dan zullen alleen deze cellen worden geactiveerd. Als het licht wordt uitgeschakeld, gaan deze cellen terug naar de rusttoestand. Daar lijken ze niet afkerig van te zijn. Je kan dit niet alleen gebruiken om te onderzoeken wat deze cellen doen of wat hun rekenvermogen is in de hersenen. Je zou dit ook kunnen gebruiken om erachter te komen of we misschien de activiteit van deze cellen kunnen opdrijven, als ze daadwerkelijk geatrofieerd zijn. Ik ga jullie een paar voorbeelden geven over hoe we dit toepassen zowel op de wetenschappelijke, klinische als preklinische niveaus. Een van de vragen waarmee we te maken hebben is: wat zijn de signalen in de hersenen die het gevoel van beloning oproepen? Want als je die zou kunnen vinden, zouden dat een aantal van de signalen zijn die het leren konden aansturen. De hersenen zullen meer gaan doen van wat die beloning veroorzaakte. Ook zijn dit de signalen die fout gaan bij stoornissen zoals verslaving. Als we konden achterhalen welke cellen dat zijn, kunnen we misschien nieuwe targets vinden waarvoor geneesmiddelen kunnen worden ontworpen of tegen afgeschermd worden. Misschien vinden we zo plaatsen waar elektroden kunnen worden ingebracht bij mensen met een zeer ernstige invaliditeit. Daarvoor vonden we een zeer eenvoudig paradigma in samenwerking met de Fiorella groep. Als het dier naar de ene kant van dit kleine doosje gaat, krijgt het een lichtpuls om verschillende cellen in de hersenen gevoelig te maken voor licht. Als deze cellen een beloning kunnen bemiddelen, dan zal het dier daar meer en meer naartoe gaan. Dat is wat er gebeurt. Dit dier gaat naar de rechterkant en steekt daar zijn neus in. Telkens krijgt hij een flits van blauw licht. Hij zal dat honderden keren herhalen. Dit zijn de dopamineneuronen, jullie misschien bekend als de pleziercentra van de hersenen. We hebben aangetoond dat een korte activering ervan genoeg is om het leren te bevorderen. We kunnen het idee veralgemenen. In plaats van op één punt in de hersenen te werken, kunnen we apparaten bedenken die het ganse brein omvatten, die licht kunnen leveren in driedimensionale patronen - rijen optische vezels, elk gekoppeld aan zijn eigen onafhankelijke miniatuurlichtbron. We kunnen proberen om dingen in vivo te doen die tot op vandaag alleen in een schaaltje gedaan werden - zoals 'high-throughput screening' in het hele brein voor de signalen die aanleiding kunnen geven tot bepaalde gebeurtenissen. Of ze zouden goede klinische targets kunnen worden voor de behandeling van hersenaandoeningen. Een ander voorbeeld gaat over hoe we targets kunnen vinden voor de behandeling van posttraumatische stressstoornis - een vorm van ongecontroleerde angst en vrees. We gingen uit van een zeer klassiek model van angst. Dit gaat terug tot de tijd van Pavlov. Het heet Pavlov vreesconditionering - hier eindigt een toon met een korte schok. De schok is niet echt pijnlijk maar wel wat vervelend. Geleidelijk aan - in dit geval, een muis, een goed diermodel, vaak gebruikt in dergelijke experimenten - leert het dier de toon te vrezen. Het dier zal reageren door te verstijven, zoals een hert voor de koplampen van een auto. Welke targets vinden we nu in de hersenen om deze angst te overwinnen? We spelen de toon opnieuw af nadat hij in verband is gebracht met angst. We activeren verschillende targets in de hersenen met behulp van die glasvezelrijen waarover ik het in de vorige dia had. We proberen zo uit te zoeken welke targets de hersenen die herinnering van angst kunnen doen overwinnen. Deze korte video toont jullie een van deze targets waar we nu aan werken. Het is een gebied in de prefrontale cortex, een gebied waar we cognitie kunnen gebruiken om aversieve emotionele toestanden te overwinnen. Het dier hoort een toon - en dan komt er een lichtflits. Er is geen geluid bij deze video maar je ziet het dier verstijven. Deze toon betekende slecht nieuws. In de linkerbenedenhoek is er een klokje te zien, zodat je kunt zien dat het dier daar ongeveer twee minuten in blijft. Deze volgende clip is slechts acht minuten later. Dezelfde toon is te horen en het licht gaat weer flitsen. Oke, daar komt het. Nu. Nu kan je zien dat na een experiment van slechts 10 minuten, we erin geslaagd zijn het brein de uiting van deze angstherinnering te laten overwinnen, door dit gebied te fotoactiveren. De afgelopen jaren lag onze focus op de boom des levens, omdat we zochten naar manieren om netwerken in de hersenen uit te schakelen. Als we dat konden doen, zou dit een zeer krachtige methode zijn. Als je cellen een paar milliseconden of seconden kunt uitschakelen, kun je uitzoeken welke noodzakelijke rol ze spelen in de netwerken waarin ze zijn opgenomen. We hebben nu organismen uit alle delen van de boom des levens onderzocht - Ieder koninkrijk van het leven, behalve voor dieren, toont iets anders. We vonden allerlei moleculen zoals halorhodopsinen of archaerhodopsinen die reageren op groen en geel licht. Ze doen net het tegenovergestelde dan het molecuul waar ik eerder over vertelde met de blauw-lichtactivator kanaalrhodopsine. Ik geef een voorbeeld van waar we denken dat dit naartoe gaat. Denk bijvoorbeeld aan een aandoening zoals epilepsie, waar de hersenen overactief zijn. Als medicijnen niet werken bij epileptische behandeling, bestaat een van de strategieën erin een deel van de hersenen te verwijderen. Dat is natuurlijk onomkeerbaar en er kunnen bijwerkingen optreden. Wat als we de hersenen alleen maar voor een korte tijd konden uitschakelen totdat de aanval zou uitsterven? Dan konden de hersenen misschien in hun oorspronkelijke staat worden hersteld - net zoals een dynamisch systeem dat teruggebracht wordt tot een stabiele toestand. Deze animatie probeert dit concept uit te leggen. We hebben deze cellen gevoelig gemaakt om uitgeschakeld te worden met licht. We bestralen met licht en hopen, zolang de aanval duurt, de cellen uit te kunnen schakelen. We hebben hierover nog geen gegevens maar we zijn erg enthousiast. Ik wil afsluiten met nog een voorbeeld, waarvan wij denken dat het nog een andere mogelijkheid is. Misschien kunnen deze moleculen, als je ze ultra-nauwkeurig kunt controleren, gebruikt worden in de hersenen zelf om een nieuw soort prothese, een optische prothese, te maken. Ik heb je al verteld dat elektrische stimulatoren niet ongewoon zijn. Bij 75.000 mensen werd een Parkinson-deep-brainstimulator geïmplanteerd. Misschien 100.000 mensen hebben al cochleaire implantaten die hen in staat stellen om te horen. Nog een probleem is dat je deze genen in de cellen moet krijgen. Er is nieuwe hoop op gentherapie omdat virussen zoals het adeno-geassocieerd virus, waarvan de meesten van ons waarschijnlijk drager zijn, en dat geen symptomen geeft, bij honderden patiënten is aangewend om genen in de hersenen of het lichaam af te leveren. Tot nu toe zijn er geen ernstige bijwerkingen geassocieerd met dit virus. Er is nog een laatste olifant in de kamer, de eiwitten zelf, die afkomstig zijn van algen, bacteriën, schimmels en uit de rest van de boom des levens. Wij hebben geen schimmels of algen in onze hersenen. Wat gaan onze hersenen doen als we die erin brengen? Gaan de cellen het verdragen? Zal het immuunsysteem reageren? We zijn nog maar in het beginstadium, dit is nog niet op mensen uitgetest. We werken aan een groot aantal studies om dit uit te proberen en te onderzoeken. Tot nu toe hebben we nog geen duidelijke reacties van enige ernst op deze moleculen gezien of van de bestraling van de hersenen met licht. Het is nog te vroeg om besluiten te trekken, maar we zijn er erg enthousiast over. Ik wilde afsluiten met een verhaal waarvan wij denken dat het zou kunnen leiden tot een klinische toepassing. Er zijn vele vormen van blindheid waarbij de fotoreceptoren, onze lichtsensoren aan de achterkant van ons oog, zijn verdwenen. Het netvlies is uiteraard een complexe structuur. Laten we nu hier op inzoomen, zodat we het meer in detail kunnen zien. De fotoreceptorcellen zitten bovenaan. Vervolgens worden de signalen gedetecteerd door de fotoreceptoren en getransformeerd via verschillende berekeningen. Uiteindelijk gaat de laag cellen aan de onderkant, de ganglioncellen, de informatie naar de hersenen doorgeven. Daar komt de waarneming tot stand. In veel vormen van blindheid, zoals retinitis pigmentosa, of maculadegeneratie, zijn de fotoreceptorcellen geatrofieerd of vernietigd. Hoe kan je dit repareren? Het is zelfs niet eens duidelijk of een geneesmiddel dit zou kunnen herstellen, omdat er niets is waar het medicijn zich aan kan binden. Aan de andere kant kan het licht nog steeds in het oog binnendringen. Het oog is nog steeds transparant en licht kan erin. Wat zou er gebeuren als we deze kanaalrhodopsinen en andere moleculen zouden installeren op een aantal van deze andere reservecellen en er kleine camera's van maken? Omdat er zich zo veel van deze cellen in het oog bevinden, kunnen het potentieel zeer hoge resolutie camera's worden. Daar zijn we ook mee bezig. Het onderzoek wordt geleid door een van onze medewerkers, Alan Horsager van USC. Een beginnende onderneming, Eos Neuroscience, gefinancierd door de NIH, gaat het commercialiseren. Hier een muis die een doolhof probeert op te lossen. Het is een zesarmig doolhof. Er staat een beetje water in het doolhof om de muis te motiveren om te bewegen. Anders blijft ze gewoon zitten. Het doel, uiteraard, van dit doolhof is om uit het water op een klein platform te geraken dat zich onder de verlichte poort daarboven bevindt. Muizen zijn slim. Deze muis lost uiteindelijk het doolhof op, maar hij doet dat door gissen en missen. Hij probeert al zwemmend alle mogelijkheden uit tot hij uiteindelijk op het platform geraakt. Hij maakt daarvoor geen gebruik van zijn ogen. Deze muizen zijn verschillende mutaties die verschillende soorten blindheid, die ook bij mensen voor komen, simuleren. We moeten deze verschillende modellen zorgvuldig onderzoeken om te komen tot een algemene aanpak. Hoe gaan we dit oplossen? We gaan precies doen wat we beschreven in de vorige dia. We gaan deze blauwlichtfotosensoren installeren op een laag cellen in het midden van het netvlies aan de achterkant van het oog en er een camera van maken. Net als het installeren van zonnecellen op de neuronen om ze gevoelig te maken voor licht. Licht wordt dan omgezet in elektriciteit. Deze muis was een paar weken voor dit experiment blind en kreeg een dosis van dit lichtgevoelige molecuul via een virus toegediend. Je kunt zien dat het dier nu wel degelijk de muren kan vermijden, naar dit kleine platform gaan en opnieuw cognitief gebruik maken van haar ogen. Om nog maar eens te wijzen op het buitengewone resultaat: deze dieren zijn in staat om net zo snel naar dat platform te gaan als dieren die dat hun hele leven hebben gedaan. Deze preklinische studie, denk ik, houdt hoop in voor de toekomst. Tot slot wil ik erop wijzen dat we ook nieuwe businessmodellen uitproberen voor dit nieuwe gebied van neurotechnologie. Wij ontwikkelen deze tools, maar we delen ze vrijelijk met honderden groepen over de hele wereld, zodat mensen eruit kunnen leren en proberen verschillende stoornissen te behandelen. Door uit te zoeken hoe we deze hersennetwerken kunnen herstellen en bewerken op abstract niveau, hopen we ertoe te komen enkele van deze hardnekkige aandoeningen waar ik het eerder over had en die nu ongeneeslijk zijn, in de 21ste eeuw uit de wereld te helpen. Dank u. (Applaus) Juan Enriquez: Een deel van dit spul is nogal zwaar op de hand. (Gelach) Maar de implicaties om epilepsieaanvallen onder controle te krijgen met licht in plaats van met geneesmiddelen, en de mogelijkheid om zich specifiek hierop te richten is een eerste stap. Het tweede ding dat ik denk dat ik je hoorde zeggen is dat je de hersenen in twee kleuren kan controleren. Net als een aan/uit-schakelaar. Ed Boyden: Dat klopt. JE: Dat maakt dat elke impuls die door de hersenen gaat een binaire code is. EB: Juist, ja. Dus met blauw licht kunnen we informatie invoeren in de vorm van een één. En door uit te schakelen krijgen we min of meer een nul. Dus hopen we om uiteindelijk voor de hersenen co-processoren te bouwen die werken met de hersenen, waardoor we functionaliteit kunnen vergroten bij mensen met een handicap. JE: in theorie betekent dit dat als een muis voelt, ruikt, hoort, raakt, je dat kan modelleren als een reeks enen en nullen. EB: Natuurlijk, ja. We hopen om dit te gebruiken om uit te testen welke neurale codes bepaalde gedragingen kunnen aansturen, alsook bepaalde gedachten en bepaalde gevoelens, en dat gebruiken om meer over de hersenen te weten te komen. JE: Betekent dit dat je ooit je herinneringen zou kunnen downloaden en misschien uploaden? EB: Dat is iets waar we al mee bezig zijn. We proberen nu de hersenen te bedekken met opname-elementen. Zo kunnen we gegevens registreren en vervolgens de informatie terug invoeren - een beetje uitrekenen wat de hersenen nodig hebben om de verwerking van informatie te vergroten. JE: Nou, dat zou een paar dingen kunnen veranderen. Dank je. (EB: Dank je wel.) (Applaus)