Anonim

Az élet örökkévaló kérdéseinek megválaszolása az idegtudomány segítségével

Eric J. Topol, MD: Helló. Eric Topol, a Medscape főszerkesztője. Örülök, hogy meglátogathatom Ed Boyden-t, a McGovern Agykutató Intézetből és a Massachusetts Institute of Technology (MIT) Médialaboratóriumból. Nagyszerű, hogy itt vagy, Ed.

Ed Boyden, PhD: Nagyszerű itt lenni.

Dr. Topol: Ez egy nagyon figyelemre méltó történet. Nagyon fiatal vagy. 37 éves korában olyan sokat teljesítettél. Beszéljünk a hátteréről a MIT és Stanford között. Mondj nekem az oktatásodról.

Dr Boyden: Mérnökként és fizikusként képztem. Szerettem volna dolgokat tenni a problémák megoldására. Nagyon filozófiai voltam és olyan problémákat is meg akartam oldani, amelyek elmondják nekünk, hogy mit jelent emberi lény lenni, az élet értelme - ezek az örök kérdések. Körülbelül 20 évvel ezelőtt úgy döntöttem, hogy belemegyek az idegtudományba. Elmentem a Stanford PhD programba. A középiskolás óta nem vettem fel biológiai órát. Néha "stratégiai tudatlanságnak" hívom. Jó volt, mert ötleteket tudtam hozni más területektől is. Elkezdtem azon gondolkodni, hogy miként építhetünk fel technológiát és segíthetünk az agy megjavításában. Körülbelül 10 évvel ezelőtt visszamentem a MIT-be, és egy csoportot alapítottam, hogy összeállítsam mindezt - mérnöki, tudományos és különös tekintettel az agyra. Hogyan oldhatjuk meg ezeket a régóta rejtélyeket?

Dr. Topol: Karl Deisseroth-nal edzettál a Stanfordban.

Dr Boyden: Igen. Amikor ténylegesen mindketten diákok voltunk, akkor együtt kezdtünk együtt dolgozni. Találkoztunk, amikor ő az orvosi iskolát fejezte be, és én csak a PhD programot kezdtem. Mindketten Richard Tsien csoportjában voltunk. Ekkor kezdtük el elgondolkodni azon optogenetikai eszközökkel, amelyek segítségével az idegsejtek aktiválásának ok-okozati problémáját megoldhatjuk. Az első cikkünket közösen tettük közzé, mielőtt elkészítettem PhD-t, Richard Tsien és Jennifer Raymond közreműködésével a motoros tanulás területén. Később egy rövid posztdokumentumot csináltam vele és Mark Schnitzerrel, nagyon széles körben dolgoztam az optikán és az agyon.

Optogenetika: megy a mainstream

Dr. Topol: A Medscape közösség nem feltétlenül lép fel az optogenetikával - hol van és hová megy. Tudna-e egy miniatűr képet a mezőről? Ez nyilvánvalóan az élettudományok egyik legforróbb témája.

Dr. Boyden: Karl és én 2000 elején kezdtük el az ötletbörzeünket arról, hogy hogyan tudjuk ellenőrizni az agyat. Megpróbálhatja megjavítani az agyat. A világ minden táján több mint egymilliárd ember szenved valamilyen agyi rendellenességben. A népesség elöregedésekor, Alzheimer-kór, stroke, epilepsziában és Parkinson-kórban - ezek száma növekszik. Ezen betegségek közül soknak nincs gyógymódja. A kezelések részlegesek és sok mellékhatással járnak.

Úgy döntöttünk, hogy megpróbáljuk kitalálni, vajon pontosan tudjuk-e irányítani az agyat. Mi lehet pontosabb, mint a fény? De van egy probléma: Az agy nem igazán reagál a fényre. Mindenféle módon elvégeztük az agysejtek felszerelését, hogy fényérzékenyé váljanak. Kiderül, hogy a természeti világ megoldja a problémát nekünk. Az életfán ​​az egész molekulák lényegében fotoszintézisek. Átalakítják a fényt elektromos jelzésré. Az agysejtek számítanak elektromos jelekkel. Ha be tudjuk helyezni ezeket a molekulákat és világíthatunk rájuk, akkor nagyon pontos, digitális módon bekapcsolhatjuk az agy idegsejtjeit.

Dr. Topol: Eleinte kutatási eszköz volt az agydinamika megértésére.

Dr Boyden: Így van. Csoportok százai használják ezt az alapvető idegtudomány elvégzésére, hogy megértsék, mi okozza a memória kialakulását vagy az érzelem elindulását. Az egyik kedvenc tanulmányom - mivel ez etikai és filozófiai kérdés is - egy csoport készítette a Cal Technél. [1] Találtak egy apró sejtkészletet az agy mélyén, amelyek megvilágítás és aktiválás esetén agressziót vagy erőszakot váltanak ki. Meg tudják határozni egy olyan helyet az agyban, amely összetett viselkedést vált ki. Ez elképesztő.

Az utóbbi években az emberek megpróbálták meghatározni az agyi aktivitási mintákat, amelyek segítenek gyógyítani vagy legalábbis kezelni az agyi betegségek tüneteit. Az emberek most megpróbálják kitalálni, mely agyrészeket kell kikapcsolni az epilepsziás roham leállításához. Az emberek megpróbálják kitalálni, hogy az agy mely részét kellene stimulálni, hogy megszüntesse a Parkinson-kór remegését. Nemrégiben részt vettem egy tanulmányban [2], amelyet Li-Huei Tsai professzor vezetett az MIT-ben, amelyben olyan agyi aktivitási mintát találtunk, amely ha meghajtónak tűnik, képes megtisztítani az amiloid plakkok és egyéb az Alzheimer-kór jellemző jelei.

Dr Topol: Nagyon izgalmas volt erről hallani. A múltban az orvostudomány és a kutatók a funkcionális MRI-re (fMRI) támaszkodtak. Most már teljesen más módon lehet az agyat funkcionálisan leképezni. Hogyan lehet összehasonlítani ezt a két különféle eszközt?

Dr. Boyden: az fMRI és a kapcsolódó technológiák fantasztikusak. Nem invazív jellegűek, normál embereken is használhatók, és nem okoznak mellékhatásokat. De a felbontás nem túl jó. Amikor kevés voxelt vagy foltot látsz az fMRI vizsgálatokban, ezek ténylegesen százezreket és milliókat tartalmaznak agysejteket. Az alapszintű idegtudományból tudjuk, hogy két egymás melletti agysejt teljesen különféle dolgokat tud tenni.

Az fMRI esetében a másik dolog az, hogy közvetett. Ez a véráramlás mértéke. Az idő skála, amelyen keresztül mérheti az fMRI-t, tíz másodperc, de a gondolatok és az érzelmek másodpercen belül megváltozhatnak. Annak ellenére, hogy az optogenetika olyan folyamat, amely géneket és fényt igényel, valamint egyéb, az emberekben nehéz felhasználható dolgok szükségesek, az időbeli és a különleges pontosság rendkívül jó.

Dr. Topol: Ez egy nagyon fontos különbség, mivel képes nagyítani egy tényleges cellán. Az "optogenetika" van a szótárban? Már megcsinálta ott?

Dr Boyden: Természetesen a tudományos területeken ez elfogadható.

Dr. Topol: Csak ebben az évben került be a "mikrobióm", az "epigenóm" és a "CRISPR". A New Yorker nagy hangsúlyt fektetett az optogenetikára. Ez mainstream, a New Yorkerben.

Az Opsinek működtetése az emberi betegségben

Dr Boyden: Amikor valami közvetlen hatással van az emberi egészségre, akkor az kezd a szélesebb kultúra részévé válni. Van néhány vállalat, amelyek már megkezdték vagy hamarosan megkezdik az emberekkel végzett klinikai vizsgálatokat.

Dr. Topol: Mik ezek a klinikai alkalmazások?

Dr Boyden: A világszerte emberek milliói szenvednek a vakság olyan formáitól, amelyekben a fotoreceptorok - a szem fényérzékelő sejtjei - elhaltak. A retinitis pigmentosa az egyik ilyen betegség, amely több millió embert érint. Ha az emberek már nem érzékelik a fényt, nagyon nehéz segíteni őket újra látni. Három különféle vállalat próbálja kitalálni, hogy visszaállíthatja-e a fényérzetet azáltal, hogy ezeket a fényérzékeny molekulákat, amelyekkel Karl és én együtt dolgozunk, fejlesztjük, a vak szembe helyezzük, és virtuális kamerákká konvertáljuk. Ha megtenné, akkor ismét segítséget nyújthat a szem képének megvilágításában. Egy cég már megkezdte az emberi vizsgálatokat Texasban. Egy másik franciaországi vállalat egy kicsit lemaradt, de modernebb molekulájuk van. Egy harmadik vállalat nagyon érdekli az olyan számítási eszközök építése, amelyek előkészítik a vizuális világot, vetítik az optogenetikusan érzékenyített szemre, és korszerűsítik az információáramlást, amely többet mond a világról.

Dr Topol: Ez rendkívüli. Kezeltek-e valamely retinitis pigmentosa-ban szenvedő beteget?

Dr Boyden: Az 1. fázisú biztonsági vizsgálat megkezdődött egy RetroSense nevű társaságnál. Texasban dolgoznak. A GenSight Párizsban található. Úgy gondolom, hogy most befejezik az embertelen prímás próbákat.

Dr Topol: Ezen a ritka szem rendellenességen túl milyen módszerekkel láthatjuk az optogenetikát emberben más indikációk szempontjából?

Dr Boyden: Nagy kérdés az, hogy az optogenetika lesz a legjobb az agy tanulmányozásához? Ezután, amikor megérti, mi a baj, kidolgoz egy drogot vagy noninvazív klasszikus elektromos stimulációs módszert. A közvetlen felhasználás szempontjából egy nagy kérdés van, amelyre mindenki vár a választ. Az olyan optogenetikus molekulák, amelyeket idegsejtekbe rakunk, nem emberi gének; baktériumokból, algákból és más mikrobákból származnak.

Dr. Topol: Az opszinek.

Az egyik kulcskérdés az, hogy az emberi test hogyan fogja tolerálni ezeket a molekulákat?

Dr Boyden: Így van. Ezek az opsinok. Az egyik kulcskérdés az, hogy az emberi test hogyan fogja tolerálni ezeket a molekulákat? Idegen gének. Lesz immunválasz? Ezek a molekulák még soha nem voltak az emberi testben. Hogyan fog menni a hosszú távú toxicitási profil? Sokan tanulmányozzák, hogy mi fog történni e három retina társasággal. A szemnek bizonyos fokú immunitása van; árnyékolva van a klasszikus immunrendszertől. A neuronok sem osztják a sejteket. Ha molekulákat helyezünk ezekbe a neuronokba, akkor nem osztódnak és elveszítik a gént az idő múlásával. Ez egy remény. Ha jól megy a szemébe, akkor a gát felrobban.

Dr Topol: Izgalmas indulni ebből a szentélyből - az ideális helyről -, és megnézni, hogy ez valóban megtartja-e.

Következő megálló: Epilepszia és mozgási rendellenességek

Dr Boyden: Ha ez mégis elindul, van néhány alkalmazás, amelyeket az emberek szeretnének látni a következőkben. Az egyik terület, amelyen több csoport dolgozik, az epilepszia. Az epilepsziás rohamok az agy hálózatának ellenőrizetlen elektromos aktivitása. Ha kikapcsolná ezt a hálózatot, akkor ez egy nagyon hatékony módszer a roham elnémítására. Jelenleg a gyógyszer-rezisztens epilepsziában sok beteg neurológiai műtéten esik át az agy ezen részének eltávolítása céljából. Ha átmenetileg elhallgattatná az agy azon részét, csak egy-két másodpercig, és blokkolhatja a rohamot, akkor kevésbé ártalmas, mint ha az agy nagy részét el kellene távolítania.

Dr. Topol: Az epilepszia nagyon elhanyagolt állapot volt. Sok embernek megoldandó epilepsziája van. Ez rendkívüli lenne.

Dr Boyden: Így van, és az utóbbi években nem sok új gyógymód jelent meg. A kezelések farmakológiája viszonylag változatlan maradt az elmúlt néhány évtizedben.

Dr. Topol: Remélhetőleg sokkal jobbat tudunk elérni, mint a mély agyi stimuláció. Az epilepszián kívül milyen egyéb indikációk is lehetnek?

Dr Boyden: Ön felhozta a mély agyi stimulációt. Sok olyan rendellenesség létezik, amelyeknél a mély agyi stimulációt vizsgálják. A Parkinson-kór és a mozgási rendellenességek a legelterjedtebbek, már több mint 100 000 betegnél. Az utóbbi években az emberek az autizmus, a krónikus fájdalom és a depresszió nagyon súlyos formáira is figyeltek. Nagy kérdés az, ha a mély agyi stimulációt vizsgáljuk a Parkinson-kór és a mozgási rendellenességek vonatkozásában, amely az egyik legnagyobb betegpopuláció, sok embernek kognitív vagy más típusú mellékhatásai vannak.

Tíz évvel ezelőtt elkészült egy tanulmány [3], amely kimutatta, hogy sok beültetett mély agyi stimulátorral rendelkező ember impulzusosabbá vált. Lehet, hogy a pontosságot magasabb minőségűvé kell tennünk. Mi lenne, ha ténylegesen stimulálhatja a sejtek egy részhalmazát, és csak azokat a sejteket rögzítheti, amelyek közvetlenül hozzájárulnak a mozgási rendellenességhez? Mindenféle út keresztezi az agyat. Az alpopuláció elkülönítése hozzájárulhat a kezelés jobbá tételéhez és a mellékhatások csökkentéséhez.

Dr. Topol: Ez egy igazán jó pont - az a gondolat, hogy jobban meg tudjuk valósítani a pontos leképezést, mint ahogy ma csináljuk, ami kissé durva. Ennek nagy előnye lehet. Izgalmas elméleti előnye.

A tudomány újrahűtése

Dr. Topol: Megnyerte az Áttörés díjat.

Dr. Boyden: Karl és én megosztottuk az Áttöréses Élettudományi Díjat 2016-ban.

Dr Topol: Van ötlete, hogy hívni akarja ezt?

Dr Boyden: A kékből jött ki. Sőt, sokkal fiatalabb voltam, mint sokan azoknál, akik a múltban nyerték meg.

Dr Topol: Új rekordot állítottál fel. Hogyan tájékoztatták arról, hogy elnyeri a „nouveau Nobel-díj” amerikai változatát, amelyre Jurij Milner, Mark Zuckerberg és kollégái összesen 3 millió dollárt készítettek? Még mindig 3 millió dollár?

Dr Boyden: Így van. Olyan díjat akartak megszerezni, amely elég nagy ahhoz, hogy a tudomány hűvös legyen. Yuri nagyon érdekli, hogy a tudomány ismét a kultúra részévé váljon - holdi leszállások, számítógépek és minden más. A tudomány a mindennapi diskurzus része volt. Az egyik nagy küldetése a tudomány relevánsabbá tétele.

Dr. Topol: Megismertem Jurit és természetesen Markot; csodálatos emberek. Ez nagyon képzeletbeli. Néhány éve működik. Viharral vette a világot, olyan fiatal srác voltál, hogy megkapja ezt a díjat. Milyen volt? Nyilvánvalóan nagyon divatos díjátadó ünnepségük van.

Dr Boyden: Megtettek. Igen. Egy délután értesítették a mobiltelefonomról. Arra gondoltam, ki ez? Nagyon meglepő volt. Megesküdtek mindannyiunknak a titoktartásért. Még a gyerekeinknek sem mondhattuk el. Meg tudtam mondani a feleségemnek, de senki másnak. Ezután televíziós díjátadó ünnepséget tartottak, amelyet közvetlenül a kaliforniai Mountain View-ban, a NASA campus mellett tartottak. Hírességek, énekesek, színészek és színésznők, internetes milliomosok és más emberek jöttek. Ez egészen a tennivaló volt.

Dr Topol: Szórakoztattak vagy akarta-e lebeszélni ezeket az újonnan elismert tudósokat?

Dr Boyden: Néhány ember vett részt az ünnepségen. Beszédeket és díjakat adtak. Sokan csak jöttek lógni. Elég volt az esemény.

Nincs fok? Nincs mit

Dr. Topol: Mit csináltál ezzel a megalapozatlan 3 millió dollárral?

Sok olyan mérnök, akivel beszéltem, azt kérdezte: 'Van-e valami praktikusabb, például a rákkal kapcsolatos munka?

Dr Boyden: Miután a nyilvánvaló dolgokról gondoskodtak, például pénzt takarítottak meg a főiskolára és mindezekre, gondolkodtam azon, hogy mit tehetnénk azzal a szándékkal, amit a Media Lab - az akadémiai otthonom - véletlenül tett nekem. Megtalálhatjuk-e és megkönnyíthetjük azokat a gondolatokat, amelyek nem megfelelőek, olyan emberek, akik nem igazán illenek bele, vagy olyan projekteket, amelyek megváltoztathatják a világot, de kissé szokatlannak tűnhetnek? Részben azért csatlakoztam a MIT Media Lab-hoz, mert akkoriban sok idegtudós nem gondolta, hogy az agyi eszközök valóban működni fognak. A mérnökök közül sokan, akikkel beszéltem, azt kérdezték: "Van-e valami praktikusabb, mint például a rákkal kapcsolatos munka?" Részben azért csatlakoztam a Media Lab-hoz, mert ők voltak azon kevés helyek között, amelyek felajánlottak nekem állást, egy csomó nagyszerű mérnököt és a fegyelmi irányba való mentség szabadságát.

Most azt próbálom megtudni, hogy tudunk-e segíteni az embereket olyan őrült projektek kísérletezésében, amelyek nem igazán illenek be. Elkezdtem az emberekkel beszélgetni a legőrültebb dolgokról, amelyekre gondolnának, hogy soha nem kapnak állami támogatást vagy engedélyt. szakértői értékelés - amikor másoknak el kell mondaniuk, hogy jó ötlet-e vagy sem. Van valami mondani azért, hogy megpróbálja legyőzni ezeket az ötleteket. Megpróbálom kitalálni, hogyan lehet értékelni és támogatni ezeket az embereket. Például van egy doktori hallgató a MIT Media Lab-ban, aki PhD programot folytat, de soha nem fejezte be az egyetemet. Megtalálhatjuk ezeket az embereket, akik nem hagyományosan tudományos hitelesítéssel rendelkeznek, de akiknek van a szikra, a vállalkozói készség? Lehet, hogy bármilyen okból nem választottak hagyományos utat.

Dr Topol: Joi Ito, a MIT Media Lab vezetője nincs [formális] végzettséggel, igaz?

Dr Boyden: Igen. Kilépett az egyetemen. DJ lett a chicagói underground zenei színpadon. Aztán elindította az első internetes céget Japánban, ha emlékszem. Most internetes legendamá vált, és második karriert folytat nonprofit guruként. A MacArthur Alapítvány igazgatóságában és a Media Lab igazgatója.

Dr Topol: Nagyon csodálatos.

Dr Boyden: Hozom fel ezt a példát, amikor az emberek azt mondják: "Fogsz egy végzős hallgatót venni, aki nem fejezte be az egyetemet?" Azt válaszolom, hogy az igazgatónk sem fejezte be a főiskolát.

Dr. Topol: Pontosan. Jó modell.

Dr Boyden: Jól volt, igaz?

Globális összpontosítás az agyra

Dr. Topol: Szeretnék befejezni a BRAIN kezdeményezést. Világszerte érdekli, hogy ezt az értékes szervet alul tanulmányozzák és rosszul megértsék. Van új eszközök, különösen az optogenetika, és ez sok finanszírozást kap a Nemzeti Egészségügyi Intézetek részéről. Ön szerint hol fog menni a globális és az Egyesült Államok Brain Initiative? Nyilvánvaló, hogy ennek jelentős része leszel.

Dr Boyden: Érdekes. Európának BRAIN kezdeményezése van; az Egyesült Államokban van egy, Kínában, Ausztráliában, Japánban és más országokban is van, vagy tervezi őket. Talán a legfontosabb hatás más tudományos és mérnöki területek bejutása az agyba. Olyan sokféle mérnöki terület létezik - kémia, anyagtudomány, robotika és így tovább. Ezeknek a szakembereknek nagyon sok nem dolgozik az agyon. Az egyik legnagyobb hozzájárulás, amely az embereket izgatja ettől. Az agy olyan bonyolult. Szüksége van korszerű kapcsolatokra. Szüksége van kívülállókra. Szüksége van olyan emberekre, akik új pontokkal kötik össze a pontokat, hogy valóban hozzájáruljanak.

Dr. Topol: Lát-e párhuzamokat az emberi genom projekttel?

Dr. Boyden: Nagyszerű kérdés. Igen és nem. Van egy párhuzamos szempont abban, hogy nagyon technológiavezérelt. Az emberi genom projekt, a következő generációs szekvenálás és a genomika széles körben elterjedté vált. Az árak még Moore törvénye mellett is gyorsabban zuhantak. A technológiára való összpontosítás közös mind a genom, mind az agy projekttel. Van azonban különbség. A genom bizonyos értelemben alapvető térkép: négy betű, egy sor egy sorban. Az agy nyitott kérdés: Mi az agy alapvető leírása? Néhányan azt gondolják, hogy találunk néhány egyszerű szabályt, amelyek magyarázhatják a gondolkodást és az érzést. Mások szerint rendkívül bonyolult lesz. A mesterséges intelligencia közösségében létezik egy olyan terület, amelyet "mély tanulás" -nak hívnak, ahol ezek az algoritmusok megtanulják az arcokat kiválogatni, a macskákat osztályozni a kutyákkal szemben, vagy önjáró autókat kormányozni.

Dr. Topol: Még a bőrelváltozásokat, a röntgenfelvételeket és az MRI-ket is megvizsgálják - nagymértékben behatolva az orvostudományba.

Dr Boyden: Amikor ezeket a mélyreható tanulási térképeket veszi át, sokan azt mondják, hogy nehéz megérteni, hogy az a mesterséges idegi hálózat hogyan tanulta meg. Az információkat bonyolult mintákban osztják el. Bizonyos értelemben az a feladatunk, hogy az eszközöket felépítsük, hogy minél jobban megértsük az agyat, hogy jobb számítógépes algoritmusokat építhessünk, jobban megértsük az emberi elmét és pontosabban megismerjük az agyi betegségek okait.

Azt hiszem, hogy tengeri változást tapasztalunk a neurotechnológiai iparban. A múltban sok neurotech cég küzdött; nehéz üzlet. Megtehet valamit a legjobb mérnökök felhasználásával, és ez továbbra is kudarcot jelent. A hibaarány magas. Csak az elmúlt néhány évben megkezdtük a befektetéseket olyan neurotech-cégekbe, amelyek sokat próbálnak megtenni az alaptudomány területén. Megpróbálják összehozni azokat az eszközöket, amelyek elég jól fognak működni, mert az agy természetes méretében működnek.

Az egyik vállalat, a Kernel éppen 100 millió dollárt gyűjtött be. Bryan Johnson az ügyvezető igazgató. Alapítottam egy társaságot az agy feltérképezésének stratégiájának kereskedelmi forgalomba hozatalához, ezzel a pelenka-szerű polimerrel az agyi áramkörök kibővítéséhez, hogy képesek legyenek leképezni őket. Megállapítottuk, hogy a beruházások, az üzleti élet, a tudomány és az orvostudomány összefonódnak. Amit az elkövetkező évtizedben láthatunk, hasonló ahhoz, amit az elmúlt évtizedben a genomikával láthattunk, és az agytechnológia potenciálisan felrobban.

Dr. Topol: Remélem. Fel kell gyorsítanunk. Olyan sok a veszély.

Dr Boyden: Ha fenntartható neurotechnológiai ökoszisztémát tudunk felépíteni, azt hiszem, hogy ez sok hasznot hoz az emberi egészség számára.

Dr Topol: Ez fantasztikus. Bízunk benne, hogy az agyunk egészséges marad az elkövetkező években. Egy ilyen fiatal korban fenomenálisan sikeres voltál. Gondoljon csak körülbelül 10-20 év múlva - ez a hatása, amelyet Ön és kollégái fognak gyakorolni az optogenetika területén. Nagyon köszönöm, hogy csatlakozott hozzánk. Szeretnék órákig beszélni veled. Remélem, hogy megteszem.

Köszönöm a Medscape mindenkinek, hogy csatlakozott ehhez a beszélgetéshez Ed Boyden-nal. Nagy érdeklődéssel követjük karrierjét az optogenetika ezen tudományágában és a BRAIN kezdeményezésben.