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  • Hello, everybody.

    みなさん こんにちは

  • I brought with me today a baby diaper.

    赤ちゃんの紙おむつを持ってきました

  • You'll see why in a second.

    今 その理由がお分かりになります

  • Baby diapers have interesting properties.

    紙おむつには 興味深い素材が使われています

  • They can swell enormously when you add water to them,

    紙おむつが水分を吸うと 非常に膨れ上がることは

  • an experiment done by millions of kids every day.

    日々何百万人もの赤ちゃんが 実証してくれています

  • (Laughter)

    (笑)

  • But the reason why

    その理由というのは

  • is that they're designed in a very clever way.

    紙おむつが巧妙に考案され

  • They're made out of a thing called a swellable material.

    膨潤性のある素材から 作られているからです

  • It's a special kind of material that, when you add water,

    その特別な素材は

  • it will swell up enormously,

    水を加えると驚く程膨れ上がり

  • maybe a thousand times in volume.

    千倍もの容積になります

  • And this is a very useful, industrial kind of polymer.

    これは有用な工業用ポリマーですが

  • But what we're trying to do in my group at MIT

    MITの私のグループは

  • is to figure out if we can do something similar to the brain.

    我々の脳にも同じような事が できないかと研究しています

  • Can we make it bigger,

    脳をもっと大きく

  • big enough that you can peer inside

    脳内部を覗ける程大きくして

  • and see all the tiny building blocks, the biomolecules,

    細かな構成部分の生体分子全てが

  • how they're organized in three dimensions,

    3次元的にどのような構成になっているか

  • the structure, the ground truth structure of the brain, if you will?

    脳の実体を見られないだろうかというものです

  • If we could get that,

    それができれば

  • maybe we could have a better understanding of how the brain is organized

    我々の脳がどのように

  • to yield thoughts and emotions

    思考 感情 行動 感覚を

  • and actions and sensations.

    生み出しているのか もっと良くわかるでしょうし

  • Maybe we could try to pinpoint the exact changes in the brain

    脳のどの箇所の変化が

  • that result in diseases,

    様々な病気を起こしているかを 的確に突き止められるかも知れません

  • diseases like Alzheimer's and epilepsy and Parkinson's,

    アルツハイマー病、てんかん、 パーキンソン病などです

  • for which there are few treatments, much less cures,

    これらの病気の完治は勿論のこと 治療法はほとんどなく

  • and for which, very often, we don't know the cause or the origins

    何が原因で発症するか

  • and what's really causing them to occur.

    はっきりとは分かっていません

  • Now, our group at MIT

    MITの我々の研究グループは

  • is trying to take a different point of view

    今までとは異なる視点を持ち

  • from the way neuroscience has been done over the last hundred years.

    過去 100年の神経科学とは 違った方法を試みています

  • We're designers. We're inventors.

    我々はデザイナーでもあり 発明家でもあります

  • We're trying to figure out how to build technologies

    我々が研究しているのは

  • that let us look at and repair the brain.

    脳内を見て修復する技術を 作り上げることです

  • And the reason is,

    そんな技術が必要な理由は

  • the brain is incredibly, incredibly complicated.

    我々の脳は非常に複雑に できているからです

  • So what we've learned over the first century of neuroscience

    20世紀を通して 我々が神経科学で学んだ事は

  • is that the brain is a very complicated network,

    脳は非常に複雑なネットワークであり

  • made out of very specialized cells called neurons

    特殊化した細胞 ニューロンが

  • with very complex geometries,

    とても込み入った配置をなし

  • and electrical currents will flow through these complexly shaped neurons.

    この複雑に構成されたニューロンを通り 電気が流れているということです

  • Furthermore, neurons are connected in networks.

    さらにネットワークを 作っているニューロンは

  • They're connected by little junctions called synapses that exchange chemicals

    シナプスという小さな結合部で繫がり 化学物質で伝達し合い

  • and allow the neurons to talk to each other.

    互いに情報交換をしています

  • The density of the brain is incredible.

    我々の脳の密度はとても高く

  • In a cubic millimeter of your brain,

    脳の1ミリ立方メートル内に

  • there are about 100,000 of these neurons

    約十万個のニューロン

  • and maybe a billion of those connections.

    十億ものシナプスがあり得るということです

  • But it's worse.

    それだけではなく

  • So, if you could zoom in to a neuron,

    1つのニューロンにズームインしてみると

  • and, of course, this is just our artist's rendition of it.

    もちろんこれは概念図にすぎませんが―

  • What you would see are thousands and thousands of kinds of biomolecules,

    何千種もの生体分子が見られ

  • little nanoscale machines organized in complex, 3D patterns,

    その小さなナノスケールの生体分子が 複雑な3Dの形態で構成され

  • and together they mediate those electrical pulses,

    共に電気のパルスを送り

  • those chemical exchanges that allow neurons to work together

    化学物質を交換し合い ニューロンを恊働させ

  • to generate things like thoughts and feelings and so forth.

    思考や感情などを生み出しています

  • Now, we don't know how the neurons in the brain are organized

    ニューロンがどのように脳内に ネットワークを作っているのか

  • to form networks,

    分かっていません

  • and we don't know how the biomolecules are organized

    このような生体分子が

  • within neurons

    どのようにニューロン内で組織化され

  • to form these complex, organized machines.

    こうした複雑に組織立った機能を 持っているのか分かっていません

  • If we really want to understand this,

    本当にこれを理解したいなら

  • we're going to need new technologies.

    新しいテクノロジーが必要になるでしょう

  • But if we could get such maps,

    そんな地図を手に入れて

  • if we could look at the organization of molecules and neurons

    分子とニューロンや

  • and neurons and networks,

    ニューロンとネットワークの構成が 見られたとしたら

  • maybe we could really understand how the brain conducts information

    恐らく我々の脳がどうやって 知覚野からの情報を

  • from sensory regions,

    処理して

  • mixes it with emotion and feeling,

    感情や感覚とミックスして

  • and generates our decisions and actions.

    我々を決断や行動に移らせるのか 本当に理解できるかも知れません

  • Maybe we could pinpoint the exact set of molecular changes that occur

    的確にどの分子グループが 脳の疾患を起こしているか

  • in a brain disorder.

    探し出せるかも知れません

  • And once we know how those molecules have changed,

    一旦 分子がどのように 変わったかが分かれば

  • whether they've increased in number or changed in pattern,

    問題の分子が増えようと パターンが変わろうと

  • we could use those as targets for new drugs,

    その情報を新薬の標的として

  • for new ways of delivering energy into the brain

    脳にエネルギーを送り込む 新しい方法の為に使い

  • in order to repair the brain computations that are afflicted

    脳疾患を持つ患者の脳機能を

  • in patients who suffer from brain disorders.

    修復することができるでしょう

  • We've all seen lots of different technologies over the last century

    前世紀に生まれた 多種多様なテクノロジーを使い

  • to try to confront this.

    我々はこの問題に取り組もうとして来ました

  • I think we've all seen brain scans

    脳画像を撮る

  • taken using MRI machines.

    MRIはご存知だと思います

  • These, of course, have the great power that they are noninvasive,

    これは非侵襲的で 高性能であり

  • they can be used on living human subjects.

    生きているヒトに使えますが

  • But also, they're spatially crude.

    空間解像度は低く

  • Each of these blobs that you see, or voxels, as they're called,

    ボクセルと呼ばれる画素の1つ1つは

  • can contain millions and millions of neurons.

    何百万ものニューロンを含んでいます

  • So it's not at the level of resolution

    それで この解像度のレベルでは

  • where it can pinpoint the molecular changes that occur

    分子レベルの変化や

  • or the changes in the wiring of these networks

    ヒトの意識を制御する高い能力に関わる

  • that contributes to our ability to be conscious and powerful beings.

    神経ネットワークの配線の変化を 突き止めることはできません

  • At the other extreme, you have microscopes.

    その一方 顕微鏡もありますね

  • Microscopes, of course, will use light to look at little tiny things.

    勿論 顕微鏡は微細なものを 見るために光を使います

  • For centuries, they've been used to look at things like bacteria.

    何世紀もバクテリアのようなものを 見るのに使われてきました

  • For neuroscience,

    神経科学において

  • microscopes are actually how neurons were discovered in the first place,

    神経細胞は顕微鏡を使い発見された というのが始まりで

  • about 130 years ago.

    130年程前のことです

  • But light is fundamentally limited.

    しかし顕微鏡で見られるものは 基本的に限られています

  • You can't see individual molecules with a regular old microscope.

    普通の顕微鏡では 分子は見分けられません

  • You can't look at these tiny connections.

    小さな結合部分を見ることができません

  • So if we want to make our ability to see the brain more powerful,

    脳をもっと詳細を鮮明に見られるようにして

  • to get down to the ground truth structure,

    脳の構造を根本から把握したいならば

  • we're going to need to have even better technologies.

    もっと進んだテクノロジーが 必要になって来るでしょう

  • My group, a couple years ago, started thinking:

    数年前 私の研究グループは こう考え始めました

  • Why don't we do the opposite?

    「逆から考えてみよう

  • If it's so darn complicated to zoom in to the brain,

    脳にズームインするのがそんなに難しいなら

  • why can't we make the brain bigger?

    脳を大きくできないだろうか?」

  • It initially started

    まず2人の大学院生の

  • with two grad students in my group, Fei Chen and Paul Tillberg.

    フェイ・チェンとポール・ティルバーグ と共に始めました

  • Now many others in my group are helping with this process.

    今では私のグループの多くが このプロセスに参加しています

  • We decided to try to figure out if we could take polymers,

    紙おむつに使われている ポリマーが使えるかどうか

  • like the stuff in the baby diaper,

    脳内に実際埋め込んで

  • and install it physically within the brain.

    検討してみる事にしました

  • If we could do it just right, and you add water,

    それが きちんと入り 水を加えると

  • you can potentially blow the brain up

    こうして脳を膨らますことができ

  • to where you could distinguish those tiny biomolecules from each other.

    微細な生体分子の1つ1つが 見分けられます

  • You would see those connections and get maps of the brain.

    その結合の仕方を見て 脳の地図ができます

  • This could potentially be quite dramatic.

    これはかなり劇的なことになりかねません

  • We brought a little demo here.

    その小さなデモを持ってきました

  • We got some purified baby diaper material.

    ここに精製された紙おむつの素材があります

  • It's much easier just to buy it off the Internet

    ネットで買った方が

  • than to extract the few grains that actually occur in these diapers.

    オムツに実際に含まれている 少量のポリマーを抽出するよりは

  • I'm going to put just one teaspoon here

    ここに小さじ1杯分の

  • of this purified polymer.

    精製されたポリマーが入っています

  • And here we have some water.

    ここに水があります

  • What we're going to do

    今から

  • is see if this teaspoon of the baby diaper material

    一さじの紙おむつ素材 ポリマーが

  • can increase in size.

    大きくなるかどうか見ます

  • You're going to see it increase in volume by about a thousandfold

    千倍ほどに膨らむのが

  • before your very eyes.

    今 見えてきますよ

  • I could pour much more of this in there,

    もっと水を入れてもいいのですが

  • but I think you've got the idea

    これでポリマーが

  • that this is a very, very interesting molecule,

    とても興味深い分子だと お分かりになると思います

  • and if can use it in the right way,

    正しく使えば

  • we might be able to really zoom in on the brain

    今までのテクノロジーでは できないやり方で

  • in a way that you can't do with past technologies.

    本当に脳内にズームイン できるかもしれません

  • OK. So a little bit of chemistry now.

    今度は 化学をちょっと

  • What's going on in the baby diaper polymer?

    紙おむつのポリマーでは 何が起きているのでしょう?

  • If you could zoom in,

    ズームインしてみると

  • it might look something like what you see on the screen.

    スライドのように

  • Polymers are chains of atoms arranged in long, thin lines.

    ポリマーは原子が細長い鎖状になったものです

  • The chains are very tiny,

    鎖はとても細く

  • about the width of a biomolecule,

    生体分子の太さくらいです

  • and these polymers are really dense.

    とても密度が高く

  • They're separated by distances

    鎖間の距離は

  • that are around the size of a biomolecule.

    生体分子サイズ位です

  • This is very good

    これが とてもいいことなのは

  • because we could potentially move everything apart in the brain.

    脳内の全てのものを分離させられる かもしれないからです

  • If we add water, what will happen is,

    水を加えると

  • this swellable material is going to absorb the water,

    この膨潤性のある材料は水を吸収します

  • the polymer chains will move apart from each other,

    ポリマーの鎖同士の距離間が広がり

  • and the entire material is going to become bigger.

    素材全体が膨張します

  • And because these chains are so tiny

    ポリマーの鎖はとても細く

  • and spaced by biomolecular distances,

    その間隔は生体分子サイズなので

  • we could potentially blow up the brain

    詳しく見られるほど 脳を膨らませることができるでしょう

  • and make it big enough to see.

    詳しく見られるほど 脳を膨らませることができるでしょう

  • Here's the mystery, then:

    しかし 問題は

  • How do we actually make these polymer chains inside the brain

    脳の生体分子を分離するため どうやって こんなポリマーの鎖を

  • so we can move all the biomolecules apart?

    脳内につくれるか ということです

  • If we could do that,

    それができれば

  • maybe we could get ground truth maps of the brain.

    脳地図を作ることが可能となり

  • We could look at the wiring.

    神経回路が見られるでしょう

  • We can peer inside and see the molecules within.

    こうして中をのぞき 分子を見る事ができます

  • To explain this, we made some animations

    これを説明するため アニメーションを作成しました

  • where we actually look at, in these artist renderings,

    この概念図で示すのは

  • what biomolecules might look like and how we might separate them.

    生体分子がどのように見えるか そして それらの分離の様子です

  • Step one: what we'd have to do, first of all,

    ステップ1:まず しなくてはならない事は

  • is attach every biomolecule, shown in brown here,

    茶色で示してある 生体分子全てに

  • to a little anchor, a little handle.

    小さな取っ手をつけます

  • We need to pull the molecules of the brain apart from each other,

    脳の分子を1つずつ 離さなくてはならないので

  • and to do that, we need to have a little handle

    それには 小さな取っ手が要ります

  • that allows those polymers to bind to them

    ポリマーを取っ手と結合させ

  • and to exert their force.

    力を伝えます

  • Now, if you just take baby diaper polymer and dump it on the brain,

    ただ紙おむつのポリマーを 脳の上に置いたら

  • obviously, it's going to sit there on top.

    脳の表面に乗っかっているだけです

  • So we need to find a way to make the polymers inside.

    ポリマーを脳内に入れる方法を 考え出す必要があります

  • And this is where we're really lucky.

    ここがとても幸運なところで

  • It turns out, you can get the building blocks,

    モノマーと呼ばれる単量体を

  • monomers, as they're called,

    これに使えるのです

  • and if you let them go into the brain

    それを脳内に入れて

  • and then trigger the chemical reactions,

    化学反応を引き起こさせ

  • you can get them to form those long chains,

    この長いポリマーの鎖を 作る事ができるのです

  • right there inside the brain tissue.

    脳の組織内 その場でです

  • They're going to wind their way around biomolecules

    ポリマーは生体分子の周りや

  • and between biomolecules,

    分子間に巻き付き

  • forming those complex webs

    複雑な網を作り

  • that will allow you, eventually, to pull apart the molecules

    最後には分子を お互いから引き離します

  • from each other.

    最後には分子を お互いから引き離します

  • And every time one of those little handles is around,

    取っ手の1つがあれば

  • the polymer will bind to the handle, and that's exactly what we need

    ポリマーは取っ手に結合します まさにこれが必要なことで

  • in order to pull the molecules apart from each other.

    これが分子をお互いから引き離すのです

  • All right, the moment of truth.

    実は ここで重要な事が1つ

  • We have to treat this specimen

    試料を薬品で処理し

  • with a chemical to kind of loosen up all the molecules from each other,

    分子の繫がりをほぐさなくてはなりません

  • and then, when we add water,

    そうすれば水を加えると

  • that swellable material is going to start absorbing the water,

    膨潤性のある素材は 水を吸い始めるのです

  • the polymer chains will move apart,

    ポリマーの鎖は互いに遠のき始め

  • but now, the biomolecules will come along for the ride.

    それと共に生体分子が お互い遠のき合います

  • And much like drawing a picture on a balloon,

    それは風船に 絵を描くのと似ています

  • and then you blow up the balloon,

    そのまま風船を膨らませても

  • the image is the same,

    上に描かれたイメージは同じですが

  • but the ink particles have moved away from each other.

    絵のインク分子は 1つ1つ遠のいて行きます

  • And that's what we've been able to do now, but in three dimensions.

    それと同じ事が3Dでできたのです

  • There's one last trick.

    最後に1つの工夫があります

  • As you can see here,

    ここに見られるように

  • we've color-coded all the biomolecules brown.

    生体分子は全部茶色に 色分けしてあります

  • That's because they all kind of look the same.

    どれもみんな似ているからです

  • Biomolecules are made out of the same atoms,

    生体分子は同じ原子からできていますが

  • but just in different orders.

    ただその並び方が違うのです

  • So we need one last thing

    それで最後にあるものが

  • in order to make them visible.

    分子を見分ける為に必要です

  • We have to bring in little tags,

    小さな名札です

  • with glowing dyes that will distinguish them.

    光る染料で生体分子を 見分けるようにします

  • So one kind of biomolecule might get a blue color.

    ある種の生体分子は青で

  • Another kind of biomolecule might get a red color.

    別の種類は赤という風に

  • And so forth.

    種類別に色を変えます

  • And that's the final step.

    それが最後の段階です

  • Now we can look at something like a brain

    これで脳の

  • and look at the individual molecules,

    分子を1つ1つ見る事ができます

  • because we've moved them far apart enough from each other

    なぜなら分子同士が十分離れているので

  • that we can tell them apart.

    個々の分子を識別できるからです

  • So the hope here is that we can make the invisible visible.

    ここでは今まで視認できなかったものを 見えるようにすることが目標です

  • We can turn things that might seem small and obscure

    小さくはっきりしないしないものを

  • and blow them up

    膨らませて

  • until they're like constellations of information about life.

    生物が持つ情報の集合体が 星座のように見られます

  • Here's an actual video of what it might look like.

    これがその様子を示す 実際のビデオです

  • We have here a little brain in a dish --

    培養皿に小さな脳が・・・

  • a little piece of a brain, actually.

    脳の一部が少しあります

  • We've infused the polymer in,

    ポリマーが注入されています

  • and now we're adding water.

    これに水を加えます

  • What you'll see is that, right before your eyes --

    皆様の目の前で起こるのは・・・