Ed Boyden은 그랜드 꿈을 가지고 있습니다. Massachusetts Institute of Technology 에서이 신경 과학자의 목표는 모든 생물학을 해독하고 인간 깨달음을 달성하는 것을 포함합니다. 그러나 그는 또한 각 목표로 그를 데려 갈 길에 시선을 돌 렸습니다. 그는 세상을 바꾸는 아이디어에 대한 설명으로 뛰어 들어“1 단계!”라고 자주 선언합니다.
마이크로와 매크로를 동시에 보는 것은 Boyden의 최신 발명품 인 Expansion Microscopy입니다. 연구자들은 일회용 기저귀 내부의 흡수성과 유사한 팽창 중합체에 뇌 또는 다른 조직을 삽입하는 것으로 시작합니다. 중합체는 밀도가 높은 웹을 형성합니다. 나노 미터 또는 2 개의 간격으로 나사는 샘플 내의 점에 고정되어 있습니다. 그런 다음 과학자들은 물을 추가합니다. 이 재료는 부피가 100 배나 높아서 조직의 분자를 상대적인 위치를 유지하면서 확장되는 풍선처럼 밀어냅니다. 이 기술을 통해 과학자들은 일반 현미경으로 나노 스케일 세부 사항을 확대 할 수 있습니다. 예를 들어, 마우스 뇌 조각에서, 멍청한 분야는 개별 햄버거 형 시냅스, 뉴런 사이의 회의 지점으로 해결됩니다.
팽창 현미경 전에 Boyden은 과학자들이 뇌 세포를 빛으로 켜고 끌 수있는 도구 인 Optogenetics를 발명하는 데 도움을주었습니다. 저널 자연 방법 Optogenetics를 2010 년 올해의 방법으로 선택했으며 연구원들은 광범위한 응용 프로그램을 발견했습니다. 예를 들어, MIT의 Picower Institute for Learning and Memory Institute의 이사 인 Boyden과 그의 신경 과학 동료 인 Li-Huei Tsai는 옵토 유전학을 사용하여 알츠하이머 병을 모델링하기 위해 엔지니어링 된 생쥐의 gamma 진동이라고 불리는 뇌파를 유발했습니다. 그들이 한 시간 동안 초당 40 회 주파수로 뇌파를 운전했을 때, 아밀로이드 플라크 (알츠하이머 병과 관련된 단백질 덩어리)는 마우스의 뇌에서 사라지기 시작했습니다.
.그런 다음 연구원들은 단순히 마우스가 초당 40 배 깜박 거리는 가벼운 깜박임으로 옵토 제닉없이 동일한 효과를 만들 수 있음을 보여주었습니다. Tsai와 Boyden은 인간 환자에서 알츠하이머 병을 치료하는 비디오를 만들기 위해 Cognito Therapeutics라는 회사를 설립했습니다. 그들은 방금 인간의 시험을 시작했습니다.
Optogenetics는 신경 과학을 변형 시켰지만 Boyden 은이 기술에 대한 원래 연구를 스탠포드 대학에서 박사 학위를 취득하면서 작업 한“측면 협업”으로 설명합니다. 38 세의 소년은 60 페이지의 이력서와 3 개의 회사가 있습니다. 2016 년의 생명 과학의 획기적인 상을 포함하여 그의 사무실에서 높은 선반에 배치된다. 내가 그를 만났을 때, 그는 방금 필라델피아에서 돌아와서 바이오 테크놀로지의 드렉스 상을 수락했습니다. Boyden에는 두 명의 어린 자녀가 있습니다 (그는 Boston University의 유명한 신경 과학자 인 Xue Han과 결혼했습니다). 내가 너무 많은 일을하는 데 비밀이 있는지 물었을 때, 그는 잠을 자지 않는 것처럼? - 그는 그 질문에 혼란스러워 보였다.
Boyden이 합성 신경 생물학 그룹 인 MIT의 미디어 랩에서 이끄는 팀은 웅장하고 간단한 임무를 가지고 있습니다.“우리는 모든 것을보고 모든 것을 통제하고 싶습니다.”라고 Boyden은 말했습니다. "그리고 우리는 그렇게하기 위해 새로운 기술이 필요합니다." 나는 Boyden과 매우 작은 비전에 대해 이야기했습니다. 우리 대화의 편집 및 응축 버전이 다음과 같습니다.
당신은 5 살짜리와 8 살짜리가 있습니다. 8 살짜리에 광학을 설명하려고했다고 가정 해 봅시다-
글쎄, 그가 5 살 때 그는 그것을 나에게 설명하려고 노력했다.
그는 무엇을 말했습니까?
그의 설명은 다음과 같이 진행되었습니다. 그리고 나는 꽤 대담했습니다!
그러나 약간 생물 물리학 적으로 정확하기 위해서는 뇌 세포를 제어 할 수 있다면 그것이 무엇을하는지 볼 수 있습니다. 응답, 감각, 결정 또는 기억이 유발됩니까? 뇌 세포는 전기를 사용하여 계산합니다. 그렇다면 어떻게 전기를 운전합니까? 방법 중 하나는 달팽이관 임플란트가 청각 장애인을 위해하는 것처럼 직접 전기를 넣는 것입니다. 그러나 전기는 모든 방향으로 진행됩니다. 그다지 정확하지 않습니다. 반면에 빛은 개별 세포를 목표로 할 수 있습니다. 빛을 사용할 수 있다면 직접 전기 자극보다 훨씬 정확할 것입니다. 문제는 뇌 세포가 빛에 반응하지 않는다는 것입니다.
그래서 우리는 작은 태양 전지판과 같은 단일 세포 미생물로부터 분자를 얻습니다. 그들은 빛을 전기로 변환합니다. Opsins라고 불리는이 분자는 유전자로 인코딩됩니다. 우리는 미생물에서 유전자를 잘라내어 연구하고자하는 뇌 세포에 붙여 넣을 수 있습니다. 뇌 세포는 이러한 작은 태양 전지판을 제조합니다. 그리고 세포에 빛을 비치면 Opsins는 빛을 전기 신호로 변환하고 전기 신호는 뉴런을 제어 한 다음 뉴런이하는 일을 유발하는 것이 무엇인지 알아냅니다.
.그 도구로 어떤 종류의 일을 할 수 있습니까?
저의 공동 발명가 Karl Deisseroth [Stanford University]와 저는 2000 년에 두 학생이었을 때 이것을 생각하기 시작했습니다. 우리는 세 가지 초기 목표를 가지고있었습니다. 첫째, 특정 세포를 활성화 할 수 있다면 뇌 장애를 수정할 수 있습니까? 둘째, 행동, 원하는 또는 운동이나 감각을 유발하는 것이 무엇인지 알아낼 수 있습니까? 셋째, 뇌의 계산을 다시 프로그래밍 할 수 있습니까? 기억을하고 뇌에 들어간 다음 어떤 일이 일어나는지 볼 수 있습니까?
누구든지 그렇게 했습니까?
글쎄, Susumu Tonegawa의 MIT에있는 저의 동료는 생쥐와 같은 일을했습니다. 그의 그룹은 조류에서 우리의 분자 중 하나를 사용하여 푸른 빛 아래에서 뉴런을 활성화시킬 것입니다. 그들은 최근에 활성 뉴런만이 유전자를 발현 할 수 있도록 마우스를 조작했습니다. 마우스는 기억을 배우고 기억에 관련된 뉴런은 가벼운 활성화가됩니다. 그런 다음 그들은 [뉴런에서] 푸른 빛을 비추고 기억의 리콜을 유도 할 수 있음을 발견했습니다.
지금까지 본 광학학의 가장 멋진 응용 분야는 무엇입니까?
너무 많아! 새로운 신문이 매일 나옵니다. 내가 가장 좋아하는 연구 중 하나는 Dayu Lin (현재 뉴욕 대학교)과 David Anderson [캘리포니아 기술 연구소의 David Anderson이 수행했습니다. 그들은 영토 인 남성 생쥐의 폭력과 침략을 연구하고있었습니다. 그들은 수컷 생쥐가 싸울 때 특정 뉴런이 활성화되어 있음을 발견했습니다. 그런 다음 그들은 우리 분자를 그 세포에 넣습니다. 그리고 그들이 뉴런을 활성화했을 때 그들은 마우스가 기본적으로 그 옆에있는 것을 공격 할 것이라는 것을 알았습니다.
확장 현미경에 대해 이야기합시다. 나는 당신의 TED 토크를 보았습니다. 여기서 기저귀 섬유가 얼마나 확장 될 수 있는지 시연했습니다. 그것은 좋은 기원 이야기였습니다. 아이디어가 실제로 어떻게 생겼습니까?
아니요, 전혀!
2012 년경에 우리는 그룹에서 수퍼 해상도 및 전자 현미경을 시작했습니다. 정말 힘들었습니다. 그리고 매우 느 렸습니다. 또한 전자 현미경을 사용하는 경우 분자 정보가 많지 않습니다. 당신은 사물의 모양을 알고 있지만 분자가있는 것은 아닙니다. 그래서 우리는 거의 농담으로 우리가 생각하기 시작했습니다. 왜 우리는 뇌를 넓히지 않습니까?
나는 분자를 더 멀리 떨어 뜨리기 위해 뇌를 확장하여 더 잘 라벨을 붙일 수있었습니다. 생체 분자는 모두 다른 순서로 동일한 빌딩 블록으로 만들어 졌습니까? 그들을 구별하려면 당신은 정말로 그들을 태그해야합니다. 하지만 모두 잼으로 가득 차서 뇌에 태그를 지정할 공간이 없습니다.
정말 위대한 대학원생 인 Fei Chen (현재 Broad Institute)과 Paul Tillberg (현재 Janelia Research Campus)가 실험실에있었습니다. 우리는 1970 년대 후반과 1980 년대 초 MIT에서 반응 형 중합체를 연구 한 물리학자인 Toyoichi Tanaka의 논문에서 영감을 얻었습니다. 그는 아기 기저귀의 물건과 매우 유사한 천 배를 확장시키는이 폴리머에서 일했습니다. 우리는 표본을 가져 와서이“하이퍼 웰 가능한”폴리머에 포함시켰다. 우리가 길을 알아 내면 꽤 빨리 작동하기 시작했습니다.
그러나 당신이 무언가를 날려 버린 후에, 당신의 현미경은 여전히 동일한 해상도를 가지고 있습니다. 구성 요소가 더 멀리 떨어져 있으면 상황이 더 명확 해집니다. 아니면 분자를 표시하기에 충분한 공간을 만드는 것입니까?
둘 다라는 것이 밝혀졌습니다. 현미경에는 회절 한계가 있습니다. 빛의 파장보다 훨씬 작은 것을 볼 수 없습니다. 불행히도, 그 한계는 생물학에서 흥미로운 곳이 맞습니다. 그러나 조직을 20 배로 확장하면 200 나노 미터 회절 한계를 갖는 현미경은 이제 10 나노 미터 해상도를 효과적으로 가질 것입니다.
또한 생체 분자 주위에 공간을 만듭니다. 마치 각 생체 분자를 주변에있는 것과 같습니다. 따라서 모든 종류의 흥미로운 분석을 실행할 수 있습니다.
다른 방법이 할 수없는 뇌에 대해 무엇을 도울 수 있습니까?
뇌 회로는 큰 물체입니다. 인간 뇌의 일부 뇌 세포의 크기는 센티미터입니다. 척수의 일부 뉴런은 우리 몸에서 가장 큰 세포입니다. 우리가 감각, 의사 결정, 행동으로 정보가 어떻게 흐르는 지 이해하려면 모든 것을보아야합니다.
그러나 신경 연결은 나노 스케일입니다. 뉴런을 만드는 모든 분자는 그들이하는 일을 수행합니다. 작동 방식을 이해할 수있는 신경 회로에 대해 충분히 배우려면 나노 스케일 정밀도가있는 크고 3 차원 대상을보아야합니다. 그리고 그것이 확장이 당신에게 할 수있는 일입니다.
이미 암 진단에 적용했습니다.
우리는 Andy Beck, Harvard에서 몇몇 병리학 자와 협력하여 생검을 확장함으로써 초기 유방암을 더 잘 진단 할 수 있는지 확인했습니다. 초기 질병 탐지는 지금 큰 목표입니다. 그러나 초기 진단은 미묘한 것을 보는 것을 의미하며, 미묘한 종종 나노 스케일을 의미합니다. 이들은 인간의 판단에 실제로 도전하는 진단입니다. 우리가 생검을 확장 한 후, 우리는 미지급 생검보다 더 정확하게 진단하기 위해 기계 학습 프로그램을 훈련시킬 수있었습니다.
확장 현미경을 위해 수평선의 다른 것은 무엇입니까?
우리의 암 논문이 나온 이후, 많은 사람들이 저에게 전립선 암, 췌장암 전문가들에게 이메일을 보냈습니다.… 사람들은 이미 염색체가 세포 분열에서 어떻게 보이는지를 매핑하기 위해 확장을 사용하여 논문을 발표했습니다. 우리는 그룹과 George Church 및 Harvard의 Ting Wu와 협력하여 게놈을 확장하고 이전에하지 않은 조직의 실제 세포에서 3 차원 영광으로 볼 수 있습니다. 우리는 바이러스를 확장한다는 아이디어에 대해 바이러스 학자들과 이야기하기 시작했습니다. 사람들은 모든 종류의 물건에 확장 현미경을 적용하고 있습니다. 그들은 간질 환자의 인간 뇌 조직을 확장했습니다. 그들은 학습 및 파킨슨 병과 관련된 마우스 뇌의 회로를 확장했습니다. 그들은 바이러스가 사용하는 터널을 세포에서 세포로 퍼뜨 렸습니다. 그들은 혈액 뇌 장벽과 관련된 혈관 구조를 매핑했습니다. 너무 빨리 이륙하는 것을 보는 것은 매우 기쁘다.
그룹의 임무 중 하나가 다른 연구원과 방법을 공유하고 있음을 읽었습니다.
우리는 학계와 업계에서 확장 방법에 대해 약 300 개의 그룹을 훈련 시켰습니다. 우리는 버지니아의 Janelia Research Campus에서 여름 학교를 운영했으며 샌디에고의 Salk Institute에서 2 개의 워크샵을 진행했습니다. 우리는 방문객들을 개최하여 거의 매주 우리 그룹이 우리가 확장을하는 것을 지켜 보는 것을 보았습니다. 그리고 우리는 현재 학계와 산업 분야의 수천 개의 연구 그룹과 Optogenetics 도구를 공유했습니다.
많은 사람들이 나에게 공유해 주셔서 감사하기 때문에 이상합니다. 옛날에 어떤 사람들이 도구를 만들고 그들을 비축하려고했기 때문입니다. 하지만 나에게는 왜 나에게 감사 하는가? 기술을 사용해 주셔서 감사합니다. 사람들이 사용하지 않는 도구를 구축하면 실패했습니다.
귀하의 그룹은 이러한 새로운 도구를 어떻게 생각해 냅니까?
과학이 작동하는 방식은 운이 좋고 좋은 일을한다면 사람들은 당신을 위해 일하기를 원합니다. 그리고 두 번째로 잘한 일을한다면 모두가 당신을 위해 일하고 싶어합니다! 우리 그룹은 이제 여러 번 연속으로 운이 좋았으므로 그룹에서 일하는 사람들은 놀랍습니다.
나는 우리를 사고가 거친 그룹으로 생각합니다. 우리는 문제에서 뒤로 생각하고 과학 및 공학 분야의 모든 분야를 우리가 생각할 수있는 최고의 기술에 대해 집에 설문에 참여했습니다. 결과적으로, 우리는 종종 다른 사람들이하는 일과 반대되는 일을합니다. 다른 사람들이 그것을 보려고한다면 그것을 통제합시다. 다른 사람들이 확대하려고한다면 날려 봅시다. 나는 생물학의 모든 큰 문제가 분명하다고 생각하지만 사람들은 그들과 직면 한 것에 대해 스스로 이야기하는 것입니다.
그게 무슨 뜻입니까?
사람들은 종종“어떤 생물학적 질문에 관심이 있습니까?”라고 묻습니다. 그리고 나는“나는 뇌를 해결하고 싶다”고 말합니다.
그리고 그렇게하려면 뇌 전체의 세포 전체에 분자를 매핑하는 도구가 필요합니다. 과학의 역사를보십시오. 주기적인 테이블 이전의 화학은 매우 어려웠습니다. 그러나 지금은주기적인 테이블이 있습니다. 기본적으로 알아야 할 모든 빌딩 블록 목록이 있습니다. 물리학에는 맥스웰의 방정식과 뉴턴의 법칙과 양자 역학의 방정식이 있습니다. 한 페이지에 모든 물리 법칙을 맞출 수 있습니다. 우리는 생물학이 비슷한 전환을 겪을 수 있다고 생각합니다. 생명의 빌딩 블록과 상호 작용 방법을 볼 수있는 올바른 종류의 기술과 함께
그리고 그때 어떻게 될까요?
나의 궁극적 인 꿈은, 인간의 상태에서 어떤 종류의 깨달음을 달성 할 수 있습니까? 우리가 뇌가 어떻게 고통을 일으키는 욕망과 비이성적 인 행동을 생성하는지 이해한다면, 우리의 마음을 더 고통받지 않는 상태로 향하게 할 수 있습니까?
그것이 나의 주요 동기입니다. 이 모든 뇌 장애를 치료하는 것도 우리에게 큰 목표이지만,이 더 큰 목표의 부산물입니다. 우리가하는 일과 이유를 이해하지 못하면 더 오래 살 수 있을지 모르지만 의미를 달성 할 수 있을까요?
지금부터 30 년이 지났고 모든 것을 알아 냈다고 가정 해 봅시다.
길고 좋지는 않지만 괜찮습니다.
[웃음] 좋아요, 생물학을 해결하기위한 타임 라인은 무엇입니까?
글쎄, 나는 확실하지 않습니까? 그러나 나는 예상했던 것보다 지금 상황이 훨씬 빨리 움직이고 있다고 생각합니다. 우선, 신경 기술이 시원해졌습니다. 나는 일자리를 얻는 데 어려움이 있었기 때문에 미디어 실험실에서 부분적으로 시작했습니다. 나는 교수직에 신청 한 대부분의 부서에 의해 거절 당했고, 미디어 실험실이 당시에는 일자리를 열었다는 멍청한 행운 때문에 고용되었습니다. 다른 분야의 신경 기술로의 재능의 유입은 사물을 가속화하기 시작했습니다.
30 년 이내에…
누가 알아? 누가 아는 사람.
… 생물학을 해결하고 모든 것이 어떻게 작동하는지 알 때 실망할까요? 더 이상 마음에 대한 미스터리가 없거나 왜 우리가 일을하는지?
이 질문의 전제는 미스터리가 사라질 것이라는 것입니다. 그러나 전제가 옳은지 모르겠습니다.
우리는 물에 대해 많은 것을 알고 있지만 해변에 앉아 파도를보고있는 명상적인 질을 지 웁니다. 우리는 수소의 융합과 모든 요소의 생성 등을 통해 별이 어떻게 작동하는지에 대해 많은 것을 알고 있습니다. 그러나 아무도 밤하늘을보고 싶어하지 않도록합니까? 나는 많은 종류의 경이가 있다고 생각합니다. 그리고 일부는 과학에 의해 향상되지 않으면 손대지 않았다.
