ED Boyden: Întrerupătorul pentru neuroni

Gândiţi-vă la ziua dvs. doar pentru o secundă. Vă treziţi, simţiţi aerul proaspăt pe faţa dvs când ieşiţi pe usă, întilniţi colegi noi şi purtaţi discutii deosebite, şi vă simţiţi extraordinar când descoperiţi ceva nou. Dar pun pariu că este ceva la care nu v-aţi gândit astăzi -- ceva atât de apropiat de casă încât probabil că nu vă gândiţi la el prea des. Şi asta se întâmplă deoarece toate senzaţiile, sentimentele, deciziile şi acţiunile sunt mediate de către un computer din cap denumit creier.

Probabil că acesta nu arată cine ştie ce din afară -- o gramadă de material roz-cenuşiu amorf -- dar ultima sută de ani de neuroştiinţă ne-a permis să îl privim în profunzime şi să vedem cât de complex este în interior. Aşa am aflat că acest creier este un circuit incredibil de complicat făcut din sute de milioane de celule, denumite neuroni. Spre deosebire de un computer creat de om, în care există un număr mic de piese diferite -- ştim cum funcţionează, deoarece noi oamenii le-am creat -- creierul este făcut din mii de tipuri diferite de celule, poate zeci de mii. Acestea au forme variate, sunt făcute din molecule diferite; şi alcătuiesc şi conectează diferite regiuni al creierului. De asemenea, acestea se modifică în diferite moduri în cazul unor boli.

Să vă spun şi mai concret. Există o clasă de celule, o celulă foarte mică, o celulă inhibitor, care aduce la tăcere vecinii săi. Una dintre aceste celule pare să se atrofieze în boli precum schizofrenia. Aceasta se numeşte celula coş. Celula este una dintre miile de tipuri de celule despre care noi învăţăm. În fiecare zi, sunt descoperite unele noi. Doar ca un al doilea exemplu: aceste celule piramidale, celule mari, care se pot întinde pe fracţiune semnificativă din creier. Acestea sunt excitatorii. Acestea sunt doar o parte din celulele, care ar putea fi hiperactive, în cazul unor tulburări precum epilepsia. Fiecare dintre aceste celule este un dispozitiv electric incredibil. Primesc semnale de la mii de parteneri din amonte şi calcuează propria emisie de electricitate pe care apoi, dacă depăşesc un anumit prag, o vor transmite către miile de parteneri din aval. Acest proces, care durează aproape o milisecundă, are loc de mii de ori într-un minut în fiecare din cele peste 100 miliarde de celule, atât timp cât trăiţi, gândiţi şi simţiţi.

Deci, cum ne dăm seama ce face acest circuit ? Ideal, putem parcurge circuitul activând şi dezactivând diferite tipuri de celule pentru a vedea dacă ne dăm seama care din ele contribuie la anumite funcţii şi care se defectează în cazul anumitor patologii. Dacă am putea activa celule, am putea vedea ce puteri declanşează, ce pot iniţia şi susţine. Dacă le-am putea dezactiva, atunci am putea încerca să ne dăm seama pentru ce sunt necesare. Aceasta este povestea pe care vreau să o spun astăzi. Şi sincer, unde am ajuns de-alungul ultimilor 11 ani în încercarea de a găsi metode de activare şi dezactivare a circuitelor, celulelor, părţilor şi traseelor din creier, pentru a înţelege ştiinţa şi pentru confruntarea cu anumite probleme care ne privesc pe noi toţi ca oameni.

Acum, înainte să vă spun despre tehnologie, vestea proastă este că o parte semnificativă dintre cei prezenţi, dacă vom trăi suficient de mult, vom suferi, probabil, de tulburări ale creierului. Deja, un miliard de oameni suferă de un anumit tip de tulburare care îi face incapabili. Numerele nu fac dreptate totuşi. Aceste dereglări - schizofrenia, Alzheimer, depresie, dependenţă - nu doar ne răpesc timp din viaţă, dar ne schimbă din ceea ce suntem; ne fură identitatea şi ne modifică emoţiile - ne schimbă pe noi ca oameni. În secolul 20, apăruse ceva speranţă prin dezvoltarea medicamentelor pentru tratarea bolilor mentale. Şi deşi au fost create multe medicamente care ameliorau simptomele dereglărilor creierului, practic nici unul dintre acestea nu vindecau. Şi mare parte se datorează faptului că scufundăm creierul în chimicale. Acest circuit elaborat făcut din mii de tipuri diferite de celule este scufundat în substanţe. Tot din acest motiv, probabil majoritatea medicamentelor, de pe piaţă, dar nu toate, pot determina efecte adverse serioase.

Acum unii oameni au primit ceva consolare de la stimulatorii electrici implantaţi în creier. Pentru Parkinson, implanturile cohleare, într-adevăr au reuşit să ofere un tip de remediu acelor persoane cu anumite tipuri de dereglări. Dar, de asemenea, electricitatea se duce în toate direcţiile - calea minimei rezistenţe, la care de fapt mă refer. Aceasta afectează circuitele normale, precum şi pe cele defecte ce se doresc a fi reparate. Aşadar din nou, ne întoarcem la idea controlului ultra-precis. Putem obţine informaţiile necesare pentru a şti exact unde vrem să ajungem?

Când am început să studiez neuroştiinţa, acum 11 ani, m-am educat ca inginer electric şi fizician, şi primul lucru la care m-am gândit a fost dacă aceşti neuroni sunt dispozitive electrice, tot ce trebuie să facem este găsirea unei căi de a determina schimbări electrice de la distanţă. Dacă am putea porni electricitatea într-o celulă, dar nu şi în cele vecine, acest lucru ne-ar da instrumentul de care avem nevoie pentru activarea şi dezactivarea diferitelor celule, identificarea modului în care ele contribuie în cadrul reţelei din care fac parte. De asemenea, ne-ar permite să deţinem mult doritul control ultra-precis pentru a repara circuitele de calcul care s-au defectat. Şi cum putem face asta ? Ei bine sunt mai multe molecule existente în natură, care sunt capabile să transforme lumina în electricitate. Vă puteţi gândi la ele ca la nişte mici proteine similare cu celulele solare. Dacă am putea cumva să instalăm aceste molecule în neuroni, atunci aceşti neuroni ar căpăta conductibilitate electrică cu ajutorul luminii. Iar, celulele vecine, care nu au aceste molecule, nu vor fi conductibile electric. Şi mai este necesar un truc magic de a face acest lucru posibil şi anume posibilitatea de a introduce lumina în creier. Şi pentru a face asta - creierul nu simte durerea- poţi pune - profitând de toate eforturile depuse pentru Internet, comunicare şi altele - fibre optice conectate la lasere ce pot fi folosite pentru activarea, în modele animale de exemplu, în studii pre-clinice, acestor neuroni şi să observi cum se comportă.

Şi cum putem face asta ? Prin anul 2004, în colaborare cu Gerhard Nagel şi Karl Deisseroth, această viziune a dat roade. Există o anumită algă, care înoată în sălbăticie şi care trebuie să navigheze către lumină pentru o fotosinteză optimă. Ea poate detecta lumina cu un ochi mic, care funcţionează nu foarte diferit de ochiul uman. În membrana sa, sau la marginea acesteia, sunt mici proteine care într-adevăr transformă lumina în electricitate. Aceste molecule sunt denumite rodopsine de canal. Fiecare dintre aceste proteine acţionează precum o celulă solară, despre care am amintit. Când lumina albastră o atinge, se deschide o mică gaură şi permite particulelor încărcate să între în ochi. Şi astfel ochiul va avea un semnal electric exact ca o celulă solară care încarcă o baterie.

Aşadar tot ce trebuie să facem este să luam aceste molecule şi cumva să le instalăm în neuroni. Deoarece este o proteină, are codificat ADN-ul organismului de provenienţă. Şi deci ar trebui să luam acest ADN şi să îl punem într-un vector de terapie a genelor, precum un virus, pe care apoi să îl introducem în neuroni. Aşadar s-a dovedit că a fost un moment foarte productiv pentru terapia genelor şi mulţi viruşi au fost utilizaţi. În consecinţă, s-a dovedit că este simplu de făcut. Dis-de-dimineaţă într-o zi din vara lui 2004, am încercat aceasta variantă şi a funcţionat din prima. Iei acest ADN şi îl pui într-un neuron. Neuronul foloseşte mecanismul propriu de producere a proteinelor pentru a fabrica aceste mici proteine foto-sensibile şi le instalează pe suprafaţa celulei, precum ar fi aranjate panourile solare pe acoperiş. Şi apoi următorul lucru pe care îl descoperi este că ai obţinut un neuron ce poate fi activat de lumină. Acest lucru este foarte puternic.

Un alt truc pe care trebuie să îl faci este să îţi dai seama cum poţi livra aceste gene în celulele dorite şi nu în cele vecine. Şi s-ar putea face; viruşii pot fi ajustaţi, în aşa fel încât să ajungă la anumite celule şi nu la celelalte. De asemenea, mai este un truc genetic ce poate fi folosit pentru a obţine celule activate de lumină. Acest domeniu a ajuns să fie cunoscut drept optogenetică. Şi tot ca exemplu despre ce mai poate fi făcut, ai putea lua o reţea complexă, să foloseşti unul dintre viruşi pentru livrarea genei doar pentru un anumit tip de celulă din această reţea densă. Şi atunci când porneşti lumina asupra reţelei, doar acel tip de celulă se va activa.

De exemplu, să luăm în considerare celula coş, amintită mai devreme - cea atrofiată în cazul schizofreniei şi care este inhibitoare. Dacă am putea livra acea genă în aceste celule - şi nu vor fi alterate de genă, bineînţeles - şi am emite o lumină albastră asupra întregii reţele neuronale, doar aceste celule s-ar activa. Şi când lumina se închide, aceste celule revin la normal, astfel încât să pară că nu au fost vreodată defecte. Astfel, nu doar că poate fi studiat ce fac aceste celule, care este puterea lor de calcul în creier, dar va fi posibil să ne dăm seama -- s-ar putea să putem stimula activitatea acestor celule, dacă într-adevăr sunt atrofiate.

Acum doresc să vă spun câteva relatări scurte despre cum folosim asta, la nivel ştiinţific, clinic şi pre-clinic. Una dintre întrebările cu care ne confruntăm este, care sunt semnalele din creier care mediază senzaţia de recompensă? Deoarece dacă ar putea fi identificate, acestea ar putea fi câteva semnale ce pot ajuta învăţarea. Creierul va face mai mult din orice ar duce la respectiva recompensă. Acestea sunt semnalele alterate în dereglări precum dependenţa. Aşadar, dacă am pute afla care sunt acele celule, s-ar putea să găsim ţinte noi pentru care să fie create medicamente, sau protecţie împotriva lor sau poate să fie găsite locuri în care electrozi pot fi inseraţi pentru acele persoane care suferă de dizabilităţi severe. Deci pentru a face asta, am gândit un model foarte simplu în colaborare cu grupul Fiorella, în care pe o latură a acestei cutii mici, dacă animalul se duce acolo, primeşte un puls de lumină pentru a face diferite celule din creier sensibile la lumină. Dacă aceste celule pot facilita reocompensa animalul se va duce din ce în ce mai des acolo. Şi asta se întâmplă.

Acest animal se deplasează spre dreapta şi când împinge acolo botul şi de fiecare dată când face asta se aprinde scurt lumina albastră. Şi va face asta de sute de sute de ori. Aceştia sunt neuroni dopamina, despre care probabil o parte dintre voi aţi auzit ca fiind centre ale plăcerii, din creier. Am arătat cum o scurtă activare a acestora este suficientă, într-adevăr, pentru stimularea învăţării. Acum putem generaliza ideea. În loc de a ţinti un punct în creier, putem concepe dispozitive care vizează tot creierul, ce pot furniza lumină în modele tridimensionale - reţele de fibră otpică, fiecare cuplată la propria mini-sursă de lumină. Atunci am putea experimenta in vivo ceea ce am experimentat într-un vas - o analiză la scară largă a întregului creier în căutarea semnalelor ce determină anumite lucruri să se întâmple. S-ar putea să fie o metodă clinică bună pentru tratarea dereglărilor mentale.

Şi încă ceva despre care vreau să vă povestesc este cum putem identifica ţintele pentru tratarea stresului post-traumatic -- o formă de anxietate şi frică necontrolată. Ce am făcut a fost să adoptăm un model foarte clasic de frică. Asta ne duce în zilele Pavloviene. Se numeşte condiţionarea prin frică Pavlov -- un sunet se termină cu un şoc scurt. Şocul nu este dureros, dar este puţin enervant. Şi în timp -- în acest caz, un şoarece, care reprezintă un bun model animal, des utilizat în experimente de acest tip -- animalul învaţă sunetul fricii. Animalul va reacţiona prin îngheţare precum o căprioară în lumina farurilor. Acum întrebarea este ce ţinte din creier putem găsi pentru a putea depăşi starea de frică ? Astfel, am activat sunetul din nou după ce a fost asociat cu frica. Dar am activat ţinte din creier, altele, utilizând acea reţea de fibre optice, despre care v-am spus anterior, pentru a putea găsi şi a ne da seama care ţinte pot determina creierul să ignore memoria fricii.

Această scurtă înregistrare arată aceste ţinte la care noi lucrăm. Aceasta este zona din cortexul prefrontal o zonă în care putem folosi cunoaşterea în încercarea de a ignora stările emoţionale averse. Animalul va auzi un sunet - o lumină scurtă a apărut acolo. Nu avem sonor la înregistrare, dar puteţi vedea cum a îngheţat animalul. Acest sunet înseamnă veşti proaste. În colţul din stânga-jos este un ceas mic, care arată ca animalul se află de două minute în această situaţie. Şi acum următoarea înregistrare este după opt minute mai târziu. Se dă drumul la acelaşi sunet, apoi lumina clipeşte din nou. Ok, uitaţi. Chiar acum. Puteţi vedea, cum doar în 10 minute de experiment, am echipat creierul prin foto-activarea acestei zone pentru a ignora expresia acestei memorii a fricii.

În ultimii doi ani, ne-am întors la copacul vieţii, deoarece am dorit să găsim metode de dezactivare a circuitelor din creier. Dacă am putea face asta, ar putea fi extrem de puternic. Dacă am putea dezactiva celulele, doar pentru câteva milisecunde sau secunde, ne-am putea da seama care este rolul lor necesar, în circuitele din care fac parte. Am evaluat organisme de prin toate zonele copacului vieţii -- fiecare regn de vieţuitoare cu excepţia animalelor, pe care le vedem ca fiind puţin diferite. Am descoperit tot felul de molecule, denumite halorodopsine sau rodopsine arc, care răspund la culorile verde şi galben. Acestea se comportă diferit faţă de molecula menţionată anterior rodopsina canal activată de lumina albastră.

Să vă dau un exemplu, ce vă arată unde ar putea duce asta. Consideraţi, de exemplu, o stare precum epilepsia, caz în care creierul este hiperactiv. Dacă medicamentele nu funcţionează în tratamentul epileptic, una dintre strategii este de a îndepărta o porţiune din creier. Dar evident că este ireversibil şi pot apărea efecte secundare. Ce ar fi dacă am putea dezactiva porţiunea de creier, pentru scurt timp, până atacul dispare şi ar permite creierului sa revină la starea iniţială - oarecum similar cu un sistem dinamic care a fost adus într-o stare stabilă. Această animaţie încearcă sa explice conceptul prin care am sensibilizat aceste celulele să fie închise prin lumină, şi am proiectat lumină şi doar în intervalul necesar pentru terminarea atacului, sperăm să o putem închide. Nu avem date să vă arătăm pentru această direcţie, dar suntem entuziasmaţi de asta.

Acum vreau să închid cu o altă poveste, care cred că reprezintă o altă posibilitate - poate aceste molecule, dacă am putea deţine control ultra-precis, pot fi folosite chiar pentru creier pentru a crea un tip de proteză, o proteză optică. Tocmai v-am spus că stimulatorii electrici nu sunt ceva neobişnuit. 75.000 de oameni bolnavi de Parkinson au implantaţi adânc în creier stimulatori. Poate 100.000 de oameni au implanturi cohleare care le permit să audă. Şi mai este un motiv pentru care ar trebui puse aceste gene în celule. A apărut o nouă speranţă pentru terapia genelor deoarece viruşii precum vectorul adeno-asociat, pe care probabil majoritatea de aici îl avem şi care nu manifestă nici un simptom, a fost folosit pe sute de pacienţi pentru livrarea genelor în creier sau corp. Şi până acum nu au fost efecte adverse serioase asociate cu acest virus.

A mai rămas un lucru important de spus, proteinele însele, care provin din alge, bacterii şi ciuperci şi de peste tot din copacul vieţii. Majoritatea dintre noi nu au ciuperci sau alge în creier, aşadar ce va face creierul nostru când le vom introduce în el ? Vor fi tolerate celulele ? Va reacţiona sistemul imunitar ? Ne aflăm încă la început - deocamdată încă nu am încercat pe oameni - dar lucrăm la diferite studii pentru a testa şi examina asta. Până acum nu am observat reacţii evidente, de nici un fel de severitate generate de aceste molecule sau de iluminarea creierului cu lumină. Aşadar ne aflăm prea la început să fim avansaţi, dar suntem foarte entuziasmaţi.

Am dorit să închid cu o poveste, care credem că ar putea reprezenta o aplicaţie clinică. În prezent sunt foarte multe forme de orbire în care fotoreceptorii, senzorii noştri de lumină aflaţi în partea din spate a ochiului, au dispărut. Şi retina, bineînţeles, este o structură complexă. Să mărim imaginea, astfel încât să vedem mai multe detalii. celulele fotoreceptoare sunt reprezentate în partea de sus, iar semnalele detectate de fotoreceptori sunt transformate prin diferite calcule, până când, în final, stratul de celule de la bază, celulele ganglionare, transmit informaţiile la creier, unde putem observa că are loc percepţia. În multe forme de orbire, precum retinopatia pigmentară, sau degenerarea maculară, celulele fotoreceptoare sunt atrofiate sau distruse. Cum pot fi reparate ? Nu este clar nici dacă un medicament ar putea determina refacerea, deoarece acesta nu are de ce să se prindă. Pe de altă parte, totuşi lumina poate intra în ochi. Ochiul este încă transparent şi poţi introduce lumină în el. Cum ar fi să putem lua doar aceste canalrodopsine şi alte molecule şi să le inserăm în câteva dintre aceste celule pentru a le transforma în mici camere video. Şi deoarece sunt atât de multe celule de acest tip în ochi, posibil, ar putea fi camere video de foarte mare rezoluţie.

Cam aceasta este o parte din munca noastră. Cercetarea este coordonată de unul dintre colaboratorii noştri Alan Horsager de la USC - University of Southern California şi dorită a fi comercializată de către compania Eos Neuroscience fondată de NIH. Ce puteţi vedea aici este un şoarece, care încearcă să rezolve un labirint. Este un labirint cu şase braţe. Şi este un pic de apă în labirint pentru a motiva şoarecele să se mişte, altfel ar sta pur şi simplu. Bineînţeles că obiectivul acestui labirint este ca şoarecele să iasă din apă şi să se urce pe platforma micuţă care este luminată de sus. Şoarecii sunt isteţi, aşadar acest şoarece rezolvă până la urmă labirintul dar prin căutări bazate pe forţă brută. Înoată pe fiecare braţ până când ajunge în final la platformă. Aşadar nu îşi foloseşte vederea pentru asta. Şoareci aceştia sunt alţii şi au mutaţii diferite, care sugerează diferite tipuri de orbire, ce afectează oamenii. Am încercat să fim atenţi în selectarea acestor modele diferite, pentru a avea o abordare generalizată

Cum rezolvăm asta ? Vom face exact ce am arătat mai devreme. Vom lua aceşti fotosenzori pentru lumină albastră şi îi vom insera în stratul de celule aflat în mijlocul retinei din spatele ochiului pentru a îi transforma în camere video. Ca şi cum am instala celule solare în aceşti neuroni pentru a-i face sensibili la lumină. în interiorul lor, lumina este transformată în electricitate. Acest şoarece era orb înainte să începem experimentul, cam de două săptămâni, şi a primit o doză din molecula fotosensibilă cu ajutorul unui virus. Acum puteţi vedea că animalul chiar poate evita pereţii şi să ajungă pe această mică platformă conştientizând cu ajutorul ochilor săi. Şi pentru a sublinia puterea acestui fapt: aceste animale sunt capabile să se urce pe platformă la fel de repede ca orice alte animale, care au văzut toată viaţa lor. Astfel, acest studiu pre-clinic, cred că generează speranţă pentru tot felul de lucruri pe care sperăm să le facem în viitor.

În final, doresc să subliniez că, de asemenea, explorăm noi modele de afaceri pentru acest domeniu al neurotehnologiei. Dezvoltăm aceste instrumente, dar le împărtăşim gratuit cu alte sute de grupuri din toată lumea, astfel încât oameni să le studieze şi să le încerce în diferite tipuri boli mentale. Speranţa noastră este că, prin descifrarea circuitelor din creier la un nivel de abstractizare ce ne-ar permite repararea şi proiectarea lor, am putea ca pe aceste tulburări mentale, menţionate mai devreme, din care practic nici una nu poate fi vindecată să le facem să devină istorie în secolul 21.

Vă mulţumesc.

(Aplauze)

Juan Enriquez: O parte din informaţii sunt foarte dense. (Râsete) Dar implicaţiile posibilităţii de a controla atacurile de epilepsie cu ajutorul luminii în locul drogurilor şi ţintirea doar a zonelor specifice este un prim pas. Al doilea lucru pe care cred că te-am auzit că l-ai spus este că am putea controla creierul cu două culori. Ca un întrerupător.

Ed Boyden: Exact.

JE: Ceea ce ar face ca impulsul care tranzitează creierul să fie în cod binar.

EB: Corect, da. Aşadar cu lumina albastră, putem trimite informaţia şi ar lua forma lui unu. Şi prin închiderea ei, mai mult sau mai puţin ar fi zero. Aşadar speranţa noastră este de a construi coprocesoare pentru creier care ar lucra cu creierul, astfel încât să amplificăm funcţii la oamenii cu dizabilităţi

JE: Şi în teorie, asta înseamnă că în timp ce şoarecele simte, miroase, aude, atinge, poate fi modelat într-un şir de unu şi zero.

Bineînţeles, da. Sperăm să o folosim ca metodă de testare a codurilor neuronale, care determină anumite comportamente, gânduri şi sentimente, şi să le folosim pentru o mai bună înţelegere a creierului.

JE: Acest lucru ar putea însemna că odată cândva am putea descărca memoriile şi poate chiar să le încărcăm ?

EB: Ei bine, la asta am început deja să lucrăm intens. Acum lucrăm la un studiu prin care încercăm să dotăm creierul şi cu elemente de înregistrare. Aşadar putem înregistra informaţii şi apoi să le transferăm înapoi -- un mod de calcul al necesităţilor creierului pentru a creşte puterea lui de procesare a informaţiei.

JE: Ei bine, asta ar putea schimba câteva lucruri. Mulţumesc. (EB: Mulţumesc)

(Aplauze)