Ед Бойдън и оптогенетика: Бъдещето на невронауката

Съдържание:

Ед Бойдън и оптогенетика: Бъдещето на невронауката
Ед Бойдън и оптогенетика: Бъдещето на невронауката

Видео: Ед Бойдън и оптогенетика: Бъдещето на невронауката

Видео: Ед Бойдън и оптогенетика: Бъдещето на невронауката
Видео: Д-р Емилова - филм "Херпес и рак" 2023, Септември
Anonim

Решаване на вечните въпроси на живота с невронауката

Ерик Дж. Топол, д-р: Здравейте. Това е Ерик Топол, главен редактор на Medscape. Радвам се да посетя с Ед Бойдън, от Института за мозъчни изследвания McGovern и Медицинската лаборатория на Масачузетския технологичен институт (MIT). Чудесно е да те има тук, Ед.

Ед Бойдън, доктор: Страхотно е да съм тук.

Д-р Топол: Това е доста забележителна история. Вие сте много млад. На 37 години сте постигнали толкова много. Нека да поговорим за твоя произход между MIT и Stanford. Разкажи ми за образованието си.

Д-р Бойдън: Обучих се като инженер и физик. Исках да направя нещата, за да решавам проблеми. Аз също бях много философски и исках да решавам проблеми, които биха ни разказали какво означава да си човек, смисъла на живота - тези вечни въпроси. Преди около 20 години реших да вляза в невронауката. Отидох в докторската програма в Станфорд. Не бях в час по биология от гимназията. Понякога го наричам „стратегическо невежество“. Добре беше, защото можех да нося идеи от други области. Започнах да мисля за начини, по които можем да изградим технология и да ни помогне да оправим мозъка. Преди около 10 години се върнах в MIT и създадох група, която да събере всичко - инженерство, наука и най-вече фокусът върху мозъка. Как да разрешим тези дългогодишни мистерии?

Д-р Топол: Тренирахте с Карл Дейсерот в Станфорд.

Д-р Бойдън: Да. Започнахме да работим заедно, когато бяхме и двамата студенти, всъщност. Запознахме се, когато той завършваше медицинско училище, а аз тъкмо започвах докторската програма. И двамата бяхме в групата на Ричард Циен. Тогава започнахме да измисляме оптогенетичните инструменти за решаване на проблема с причинно-следствената връзка, за да активираме невроните. Публикувахме заедно първия си документ, преди да завърша доктора си, работейки с Ричард Циен и Дженифър Реймънд по двигателно обучение. След това направих кратък пост-доктор с него и Марк Шницер, работещи по оптиката и мозъка много широко.

Оптогенетика: Преминаване към мейнстрийм

Д-р Топол: Обществото на Medscape не е непрекъснато в крак с оптогенетиката - къде е и къде отива. Можете ли да ни дадете миниатюра на това поле? Очевидно е една от най-горещите теми в науките за живота.

Д-р Бойдън: Карл и аз започнахме мозъчна атака в началото на 2000 г. как ще контролираме мозъка. Можете да опитате да оправите мозъка. Повече от милиард хора по света имат някакво мозъчно разстройство. С нарастването на населението, болестта на Алцхаймер, инсулт, епилепсия и Паркинсон - броят им се увеличава. За много от тези заболявания няма лечения. Лечението е частично и има много странични ефекти.

Решихме да опитаме да разберем дали можем да контролираме мозъка много точно. Какво може да бъде по-прецизно от светлината? Но има проблем: Мозъкът всъщност не реагира на светлина. Направихме мозъчни атаки всякакви начини да оборудваме мозъчните клетки, за да ги направим светлочувствителни. Оказва се, че природният свят решава проблема за нас. Цялото дърво на живота са молекули, които по същество са фотосинтетични. Те превръщат светлината в електрическа сигнализация. Мозъчните клетки изчисляват с електрически сигнали. Ако можем да поставим тези молекули и да блестим върху тях светлина, можем да включим невроните в мозъка по много прецизен, дигитален начин.

Д-р Топол: В началото това беше изследователски инструмент за разбиране на динамиката на мозъка.

Д-р Бойдън: Точно така. Стотици групи използват това, за да направят основна невронаука, за да разберат какво предизвиква спомен или да започне емоция. Едно от любимите ми проучвания - тъй като това също е етичен и философски въпрос - беше направено от група в Cal Tech. [1] Те откриха мъничък набор от клетки дълбоко в мозъка, които, ако бъдат осветени и активирани, предизвикват агресия или насилие. Те биха могли да определят място в мозъка, което задейства сложно поведение. Това е страховито.

През последните години хората се опитват да определят модели на дейност в мозъка, които биха могли да помогнат за излекуване или поне за лечение на симптомите на мозъчните заболявания. Сега хората се опитват да разберат кои части от мозъка трябва да бъдат изключени, за да се изключи епилептичен припадък. Хората се опитват да разберат каква част от мозъка би трябвало да стимулирате, за да отмените тремора от болестта на Паркинсон. Наскоро бях част от проучване [2], ръководено от професор Ли-Хуей Цай в MIT, в което открихме модел на активност в мозъка, който, ако бъде задвижван, изглежда може да почисти амилоидните плаки и други отличителни белези на болестта на Алцхаймер.

Д-р Топол: Това беше доста вълнуващо да чуя. В исторически план медицинският свят и изследователите са разчитали на функционална ЯМР (fMRI). Сега има съвсем различен начин за картографиране на мозъка функционално. Как сравнявате тези два различни инструмента?

Д-р Бойдън: fMRI и свързаните с тях технологии са фантастични. Те не са инвазивни, можете да ги използвате на нормални хора и те не причиняват странични ефекти. Но резолюцията не е много добра. Когато видите малки воксели или петна в изследванията на fMRI, те всъщност съдържат стотици хиляди до милиони мозъчни клетки. От основната невронаука знаем, че две мозъчни клетки една до друга могат да правят напълно различни неща.

Другото нещо при fMRI е, че е косвено. Това е мярка за кръвния поток. Времевите скали, над които можете да измервате fMRI, са десетки секунди, но мислите и чувствата могат да се променят в рамките на части от секундата. Въпреки че оптогенетиката е процес, който изисква гени и светлина и други неща, които са трудни за използване при хората, времевата и специална точност е изключително добра.

Д-р Топол: Това е много важно разграничение, тъй като можете да увеличите мащаба си върху действителна клетка. Има ли "оптогенетика" в речника? Достигна ли го там още?

Д-р Бойдън: Със сигурност в научните области е приемливо.

Д-р Топол: Само тази година влязоха „микробиома“, „епигеном“и „CRISPR“. Ню Йоркърът имаше голям профил в областта на оптогенетиката. Това е мейнстрийм, в Ню Йоркър.

Поставяне на опсини за работа при заболявания на човека

Д-р Бойдън: Когато нещо започне да има пряко влияние върху човешкото здраве, тогава започва да става част от по-широката култура. Има няколко компании, които вече са започнали или предстои да започнат клинични изпитвания върху хора.

Д-р Топол: Какви са тези клинични приложения?

Д-р Бойдън: Милиони хора по света страдат от слепота, при която фоторецепторите - светлинно-сензорните клетки в окото - са изчезнали. Ретинит пигментоза е едно от тези заболявания, които засягат няколко милиона души. Ако хората вече не могат да усетят светлина, е много трудно да им помогнете да видят отново. Три различни компании се опитват да разберат дали можете да възстановите усещането за светлина, като вземете тези чувствителни към светлината молекули, които Карл и аз работихме върху разработването, и ги поставете в заслепеното око и ги превърнете във виртуална камера. Ако можехте да направите това, бихте могли да помогнете на образа на света отново. Една компания вече е започнала изпитвания върху хора в Тексас. Друга компания във Франция изостава малко, но те имат по-модерна молекула. Трета компания е силно заинтересована от изграждането на изчислителни устройства, които могат да обработват визуалния свят, да проектират върху оптико-генетично сенсибилизираното око и да оптимизират информационните потоци, които ви разказват повече за света.

Д-р Топол: Това е изключително. Лекувани ли са пациенти с ретинитна пигментоза?

Д-р Бойдън: Изпитване за безопасност във фаза 1 започна с компания, наречена RetroSense. Те работят в Тексас. GenSight е в Париж. Вярвам, че сега приключват своите нечовешки изпитания за примати.

Д-р Топол: Отвъд това рядко нарушение на очите, по какви други начини ще видим оптогенетиката да бъде тествана при човека за други показания?

Д-р Бойдън: Голям въпрос е дали оптогенетиката ще бъде най-добра за изучаване на мозъка? След това, когато разберете какво не е наред, създавате лекарство или неинвазивен класически метод на електрическа стимулация. За директна употреба има един голям въпрос, на който всички чакат отговора. Оптогенетичните молекули, които влагаме в невроните, не са човешки гени; те идват от бактерии, водорасли и други микроби.

Д-р Топол: Опсините.

Един от ключовите въпроси е, как човешкото тяло ще понася тези молекули?

Д-р Бойдън: Точно така. Това са опсините. Един от ключовите въпроси е, как човешкото тяло ще понася тези молекули? Те са чужди гени. Ще има ли имунен отговор? Тези молекули никога досега не са били в човешкото тяло. Как ще отидат дългосрочните профили на токсичност? Много хора изучават какво ще се случи с тези три компании за ретина. Окото има известна степен на имунна привилегия; той е защитен от класическата имунна система. Също така, невроните не делят клетките. Ако поставите молекули в тези неврони, те няма да се разделят и губят гена във времето. Това е една надежда. Ако отиде добре в очите, язовирът ще се отвори.

Д-р Топол: Вълнуващо е да започнете в това светилище - идеалното място - и да видите дали това наистина се овладява.

Следваща спирка: епилепсия и разстройства на движението

Д-р Бойдън: Ако все пак излита, има няколко приложения, които хората биха искали да видят по-нататък. Една област, в която работят няколко групи, е епилепсията. Епилептичен припадък е неконтролирана електрическа активност в мрежа на мозъка. Ако можете да изключите тази мрежа, това може да е много ефикасен начин за заглушаване на припадък. В момента при резистентна на лекарства епилепсия много пациенти се подлагат на неврохирургия за отстраняване на тази част от мозъка. Ако бихте могли временно да замълчите тази част от мозъка, само за секунда или две и да блокирате припадъка, това би било по-малко вредно, отколкото да се налага да премахнете голяма част от мозъка.

Д-р Топол: Епилепсията е била много пренебрегвано състояние. Много хора имат неразривна епилепсия. Това би било изключително.

Д-р Бойдън: Точно така, и през последните години не се появиха много нови лечения. Фармакологията на лечението остава сравнително същата през последните няколко десетилетия.

Д-р Топол: Надяваме се, че можем да се справим много по-добре от дълбоката мозъчна стимулация. Освен епилепсия какви други индикации са възможни?

Д-р Бойдън: Възпитахте дълбока мозъчна стимулация. Има много разстройства, за които се изследва дълбока мозъчна стимулация. Паркинсоновата болест и нарушенията в движението са най-широко разпространени, като вече има повече от 100 000 пациенти. През последните години хората също започнаха да гледат на много тежки форми на аутизъм, хронична болка и депресия. Големи въпроси са, ако погледнете дълбоката мозъчна стимулация за Паркинсон и нарушения в движението, което е една от най-големите популации на пациенти, много хора имат когнитивни или други видове странични ефекти.

Преди десет години излезе проучване [3], което показва, че много хора с имплантирани дълбоки мозъчни стимулатори стават по-импулсивни. Може да се наложи да направим прецизността по-висококачествена. Ами ако всъщност бихте могли да стимулирате подмножество от клетки и да уловите само клетките, които пряко допринасят за разстройството на движението? В мозъка винаги се пресичат всякакви пътеки. Изолирането на субпопулация може да помогне за подобряване на лечението и по-малко странични ефекти.

Д-р Топол: Това е наистина добър момент - идеята да можем да извършим фино картиране, а не по начина, по който го правим днес, което е някак грубо. Това може да има голяма полза. Това е вълнуващо теоретично предимство.

Да направим отново науката готина

Д-р Топол: Спечелихте наградата за пробив.

Д-р Бойдън: Карл и аз споделяхме наградата за пробив в науките за живота през 2016 г.

Д-р Топол: Нямахте ли представа, че ще получите обаждането за това?

Д-р Бойдън: Излезе от нещата. Също така бях доста по-млад от много от хората, които са го печелили в миналото.

Д-р Топол: Вие поставихте нов рекорд. Как бяхте информирани, че ще спечелите каква е американската версия на „Нобеловата награда“, за която Юри Милнър и Марк Зукърбърг и вашите колеги взеха заедно 3 милиона долара? Все още ли е 3 милиона долара?

Д-р Бойдън: Точно така. Те искаха да направят награда, която да е достатъчно голяма, за да направи науката готина. Юри е много заинтересован да направи науката отново част от културата - лунни кацания и компютри и всичко останало. Науката беше част от ежедневния дискурс. Да направи науката по-актуална е една от големите му мисии.

Д-р Топол: Запознах се с Юри и, разбира се, с Марк; те са невероятни хора. Това е доста въображаемо. Той работи от няколко години. Вие поехте света с буря, като сте толкова млад човек, който получи тази награда. Как беше? Очевидно имат много фантастична церемония по награждаването.

Д-р Бойдън: Те го направиха. Да. Бях уведомен по мобилния си телефон един следобед. Помислих си, кой е това? Беше доста изненадващо. Кълнаха ни всички в тайна. Не успяхме дори да кажем на децата си. Бих могъл да кажа на жена си, но никой друг. Тогава те имаха церемония по награждаване по телевизията, която се проведе точно до кампуса на НАСА в Маунтин Вю, Калифорния. Дойдоха знаменитости, певци, актьори и актриси, интернет милионери и други хора. Това беше доста задължително.

Д-р Топол: Забавляваха ли се или искаха да се карат с тези новопризнати учени?

Д-р Бойдън: Няколко души бяха част от церемонията. Те изнесоха речи и награди. Много хора просто дойдоха да се мотаят. Беше доста събитието.

Няма степен? Няма проблем

Д-р Топол: Какво направихте с тези неоснователни 3 милиона долара?

Много от инженерите, с които разговарях, питаха: „Има ли нещо по-практично, което можеш да направиш, като работа върху нещо като рак?

Д-р Бойдън: След като се погрижат очевидните неща, като спестяване на пари за колеж и всичко това, аз започнах да мисля за това, което бихме могли да направим нарочно, че Медийната лаборатория - моят академичен дом - направи за мен случайно. Можем ли да намерим - и да улесним - идеи, които са неподходящи, хора, които не се вписват напълно, или проекти, които могат да променят света, но може да изглеждат малко причудливи? Присъединих се към медийната лаборатория MIT отчасти, защото по това време много невролози не смятаха, че инструментите за мозъка наистина ще работят. Много от инженерите, с които разговарях, питаха: "Има ли нещо по-практично, което можеш да направиш, като работа върху нещо като рак?" Присъединих се към медийната лаборатория отчасти, защото те бяха едно от малкото места, които ми предложиха работа, място с много страхотни инженери и свободата да отида във всяка дисциплинарна посока.

Това, което се опитвам да направя сега, е да видим дали можем да помогнем на хората да пилотират луди проекти, които не се вписват напълно. Започнах да говоря с хората за най-лудите неща, които биха могли да мислят за това, никога няма да получат държавна помощ или пропуск партньорска проверка - когато другите хора трябва да ви кажат дали смятат, че е добра идея или не. Има какво да се каже за опит да се преследват тези идеи. Опитвам се да разбера как да оценявам и подкрепям тези хора. Например, в лабораторията на MIT Media има аспирант, който прави докторската програма, но никога не е завършил колеж. Можем ли да намерим тези хора, които не са традиционно утвърдени учени, но които имат тази искра, този предприемачески стремеж? Те може да не са поели по традиционен път по някаква причина.

Д-р Топол: Джой Ито, ръководител на медийната лаборатория на MIT, няма никакво [формално] образование, нали така?

Д-р Бойдън: Да. Той отпадна от колежа. Той стана DJ на ъндърграунд музикалната сцена в Чикаго. Тогава той стартира първата интернет компания в Япония, ако си спомням. Сега той се превърна в интернет легенда и има втора кариера като нестопански гуру. Той е в борда на фондация MacArthur и е директор на Media Lab.

Д-р Топол: Това е доста невероятно.

Д-р Бойдън: Привеждам този пример, когато хората казват: „Ще вземеш студент, който не е завършил колеж?“Отговарям, че и директорът ни не е завършил колеж.

Д-р Топол: Точно така. Той е добър модел.

Д-р Бойдън: Той се справи добре, нали?

Глобален фокус върху мозъка

Д-р Топол: Искам да завърша с Инициативата BRAIN. Има интерес от цял свят, че този скъпоценен орган е недостатъчно проучен и не е добре разбран. Имаме нови инструменти, особено оптогенетиката и за това получаваме много финансиране от Националните здравни институти. Къде мислите, че ще отиде световната и американска BRAIN Initiative? Очевидно ще бъдете значителна част от това.

Д-р Бойдън: Интересно е. Европа има инициатива BRAIN; Съединените щати имат такава, а Китай, Австралия, Япония и други страни ги имат или ги планират. Може би най-важното въздействие е получаването на други научни и инженерни области в мозъка. Има толкова много различни инженерни области - химия, материалознание, роботика и т.н. Много от тези експерти не работят върху мозъка. Развълнуването на хората за това е един от най-големите приноси, които се случват. Мозъкът е толкова сложен. Нуждаете се от различни връзки. Имате нужда от външни лица. Имате нужда от хора, които ще свържат точките по нови начини, за да допринесат наистина.

Д-р Топол: Виждате ли някои паралели с проекта за човешкия геном?

Д-р Бойдън: Страхотен въпрос. Да и не. Има паралел в това, че е много задвижван от технологии. Проектът за човешкия геном, последователността от следващото поколение и сега геномиката придобиха широко разпространение. Цените паднаха по-бързо дори от закона на Мур. Този акцент върху технологията е общ както с проекта за генома, така и с проекта на мозъка. Има разлика обаче. Геномът по някакъв начин е основна карта: четири букви, низ от тях в ред. Мозъкът е открит въпрос: Какво е основното описание на мозъка? Някои хора смятат, че ще намерим някои прости правила, които могат да обяснят мисленето и чувството. Други хора смятат, че ще бъде изключително сложно. В общността на изкуствения интелект има област, наречена „дълбоко учене“, където тези алгоритми се учат да избират лица, да класифицират котки срещу кучета или да управляват самоуправляващи се автомобили.

Д-р Топол: Те дори гледат кожни лезии, рентгенови лъчи и ЯМР - нахлуват в лекарства по голям начин.

Д-р Бойдън: Когато погледнете тези дълбоко изучаващи се карти, много хора казват, че е трудно да се разбере как тази изкуствена невронна мрежа го е научила. Информацията се разпределя в сложни модели. По някакъв начин нашата роля е да изградим инструментите, които да ни помогнат да разберем колкото се може повече мозъка, за да можем да изградим по-добри изчислителни алгоритми, да разберем повече за човешкия ум и да определим причините за мозъчните заболявания.

Мисля, че преживяваме морска промяна в невротехнологичната индустрия. Много от невротехническите компании в миналото са се борили; това е труден бизнес. Можете да направите нещо, като използвате най-добрия инженеринг и той все още може да се провали. Степента на отказ е висока. Точно през последните няколко години започнахме да виждаме инвестиции в невротехнически компании, които се опитват да направят много от фундаменталната наука. Те ще се опитат да обединят инструменти, които ще работят доста добре, защото работят в естествения мащаб на мозъка.

Една компания, Kernel, току-що събра 100 милиона долара. Брайън Джонсън е изпълнителен директор. Създадох компания, която да комерсиализира стратегията за картографиране на мозъка, използвайки този полимер, наподобяващ бебешки пелени, за разширяване на мозъчните вериги, за да можем да ги картографираме. Откриваме, че инвестициите, бизнеса, науката и медицината са започнали да се сближават. Това, което може да видим през следващото десетилетие, е подобно на това, което видяхме през миналото десетилетие с геномиката, а мозъчната технология ще избухне потенциално.

Д-р Топол: Надявам се. Трябва да ускорим. Има толкова много риск.

Д-р Бойдън: Ако успеем да изградим устойчива невротехнологична екосистема, мисля, че това ще донесе много полза за човешкото здраве.

Д-р Топол: Това е фантастично. Разчитаме на вас, за да поддържаме мозъка си здрав през следващите години. Вие сте били феноменално успешни в такава млада възраст. Помислете само за 10 до 20 години от сега - въздействието, което вие и вашите колеги ще окажете в областта на оптогенетиката. Благодаря ви много, че се присъединихте към нас. Бих се радвал да говоря с теб часове наред. Надявам се да направя това.

Благодаря на всички от Medscape, че се присъединихте към този разговор с Ед Бойдън. Ние ще следим кариерата му в тази дисциплина оптогенетика и инициативата BRAIN с голям интерес.

Препоръчано:

Избор На Редактора

КОРАЛ: Стентовете нямат полза при бъбречно-артериална стеноза

Най-сетне VISTA-16: Разследващите твърдят, че е извършено неправилно поведение от спонсор

Ремонт и хирургия се справят еднакво добре в исхемичната МР

Мозково-компютърен интерфейс може да помогне за възстановяване на инсулт

Интензивен подход Ups Приемане на хапчета, но не и BP, Липиден контрол

КАТИС: Няма полза от намаляване на BP в остра фаза на инсулт

Postarrest Hypothermia Trials Disappoint и Tantalize

Нитритите не лекуват за реперфузионни наранявания от стениране на MI

Трябва ли статините да се използват за първична профилактика при жените?

Недиагностицирана ССЗ Основна причина за смъртните случаи, свързани с бременността

AHA 2013: Какво ще стане горещо? (Дългоочаквани насоки!)

Генотипна лекарствена терапия в кардиологията

Какво можем да научим от отрицателен опит?

COAG: Помага ли генетичното тестване при дозиране на варфарин?

Поддържане на положително отношение към отрицателните изпитания