エド・ボイデンには壮大な夢があります。マサチューセッツ工科大学のこの神経科学者の目的には、生物学のすべてを解読し、人間の悟りを達成することが含まれます。しかし、彼はまた、それぞれの目標に到達するための道筋にも目を向けています。世界を変えるアイデアの説明に飛び込むとき、彼は頻繁に「ステップ 1!」と宣言します。
ミクロとマクロを同時に見ることが、ボイデンの最新の発明である拡大顕微鏡法です。研究者は、使い捨ておむつ内の吸収材と同様に、膨張するポリマーに脳または他の組織の一部を埋め込むことから始めます。ポリマーは高密度のウェブを形成します。その糸は、わずか 1 ～ 2 ナノメートル離れており、サンプル内の点に固定されています。次に、科学者は水を加えます。この材料は体積が 100 倍にも膨れ上がり、組織の分子を膨張する風船のように押し広げながら、それらの相対位置を維持します。この技術により、科学者は通常の顕微鏡でナノスケールの詳細を拡大できます。たとえば、マウスの脳のスライスでは、ブロブのフィールドが個々のハンバーガー型のシナプス (ニューロン間の会合点) に分解されます。
拡大顕微鏡の前に、ボイデンは、科学者が光で脳細胞をオン/オフできるようにするツールであるオプトジェネティクスの発明を支援しました。ジャーナル Nature Methods は、その 2010 メソッド オブ ザ イヤーとしてオプトジェネティクスを選択し、研究者はその幅広いアプリケーションを発見しました。たとえば、2016 年の研究では、Boyden と彼の神経科学の同僚であり、MIT の Picower Institute for Learning and Memory のディレクターである Li-Huei Tsai は、光遺伝学を使用して、アルツハイマー病をモデル化するように設計されたマウスでガンマ振動と呼ばれる脳波をトリガーしました。脳波を毎秒 40 回の頻度で 1 時間駆動すると、アミロイド斑 (アルツハイマー病に関連するタンパク質の塊) がマウスの脳から消失し始めました。
その後、研究者たちは、マウスに1秒間に40回点滅する光を見つめさせるだけで、光遺伝学なしで同じ効果を生み出すことができることを示しました.ツァイとボイデンは、人間のアルツハイマー病を治療するビデオを作成するために、Cognito Therapeutics という会社を設立しました。彼らは人体試験を開始したばかりです。
光遺伝学は神経科学を変革しましたが、ボイデンはこの技術に関する最初の研究を、スタンフォード大学で博士号を取得している間に行った「副次的な共同研究」であると説明しています。 38 歳の彼は 60 ページの履歴書と 3 つの会社を持っています。彼のオフィスの高い棚には、2016 年の生命科学ブレークスルー賞など、さまざまな賞品が置かれています。私が彼に会ったとき、彼はフィラデルフィアから戻ったばかりで、そこでバイオテクノロジーのドレクセル賞を受賞しました。 Boyden には 2 人の幼い子供がいます (Boyden は、ボストン大学の著名な神経科学者である Xue Han と結婚しています)。私が彼に多くのことを成し遂げるための秘密があるかどうか尋ねたとき、例えば彼は眠らないのでしょうか? — 彼はその質問に戸惑っているようだった.
Boyden が率いる MIT のメディア ラボである合成神経生物学グループには、壮大で率直な使命があります。 「そして、それを行うには新しいテクノロジーが必要です。」私はボイデンと、非常に小さなものに対する彼の非常に大きなビジョンについて話しました.私たちの会話を編集して要約したバージョンが続きます。
あなたには 5 歳と 8 歳の子供がいます。 8 歳の子供に光遺伝学を説明しようとしていたとしましょう—
彼が 5 歳のとき、彼は私に説明しようとしました。
彼は何と言いましたか?
彼の説明は次のようになっています。そして、私は、それはとても良いことだと思いました!
しかし、もう少し生物物理学的に正確に言うと、脳細胞を制御できれば、それが何をするかを見ることができます。それは反応、感覚、決断、記憶を引き起こしますか?脳細胞は電気を使って計算します。では、どうやって電気を動かすのですか？方法の 1 つは、蝸牛インプラントが聴覚障害者に行うように、電気を直接入れることです。しかし、電気はあらゆる方向に流れます。あまり正確ではありません。一方、光は個々の細胞に向けることができます。光を使うことができれば、直接の電気刺激よりもはるかに正確です。問題は、脳細胞が光に反応しないことです。
つまり、小さなソーラーパネルのような単細胞微生物から分子を取得します。それらは光を電気に変換します。オプシンと呼ばれるこれらの分子は、遺伝的にコード化されています。微生物から遺伝子を切り取り、研究したい脳細胞に貼り付けることができます。脳細胞がこれらの小さなソーラーパネルを製造します。細胞に光を当てると、オプシンが光を電気信号に変換し、電気信号がニューロンを制御し、そのニューロンが何をトリガーするかを理解します。
そのツールでできることは何ですか?
私の共同発明者である [スタンフォード大学の] Karl Deisseroth と私は、2000 年に私たちが学生だったときにこれを考え始めました。私たちには 3 つの最初の目標がありました。第一に、特定の細胞を活性化できれば、脳の障害は治りますか?第二に、行動や欲求、動きや感覚を駆り立てるものを理解できますか?第三に、脳の計算を再プログラムできますか?記憶を取り、それを脳に入力して、何が起こるか見てみませんか?
それをやった人はいますか?
ここMITの私の同僚であるトネガワ ススムは、マウスでそのようなことをしました。彼のグループは、青色光の下でニューロンを活性化する藻類からの分子の 1 つを使用しました。彼らは、最近活動したニューロンだけが遺伝子を発現するようにマウスを操作しました。マウスは記憶を学習し、記憶に関与するニューロンは光によって活性化されます。次に、[これらのニューロンに] 青い光を当てたところ、記憶の想起を誘発できることがわかりました。
これまでに見たオプトジェネティクスの最もクールなアプリケーションは何ですか?
たくさんあります！毎日新しい論文が出ます。私のお気に入りの研究の 1 つは、Dayu Lin (現在はニューヨーク大学) と David Anderson (カリフォルニア工科大学) によって行われたものです。彼らは縄張り意識を持つオスのネズミの暴力と攻撃性を研究していました。彼らは、オスのマウスが戦っているときに特定のニューロンが活動していることを発見しました。それから彼らは私たちの分子をそれらの細胞に入れました。そしてニューロンを活性化すると、ネズミは基本的に隣にあるものなら何でも、ゴム手袋でさえも攻撃することがわかりました。
拡大顕微鏡について話しましょう。おむつの繊維がどれだけ膨張できるかを実証した TED トークを見ました。それは良いオリジン ストーリーでした。それは本当にアイデアがどのように生まれたのですか?
いいえ、まったく違います!
2012年頃、私たちのグループで超解像と電子顕微鏡を始めました。本当に大変でした。そして、それは非常に遅かった。また、電子顕微鏡検査を行っても、分子に関する情報はあまり得られません。あなたは物の形は知っていますが、そこにどんな分子があるかは知りません。そこで私たちは冗談のように考え始めました:脳を拡張してみませんか?
脳を拡張して分子をより遠くに動かし、より適切にラベル付けできるようにしたかったのです。生体分子はすべて同じ構成要素から異なる順序で作られていますよね?それらを区別するには、本当にタグを付ける必要があります。しかし、それらはすべてぎっしり詰まっているため、脳内でタグ付けする余地はありません。
フェイ・チェン（現在はブロード研究所）とポール・ティルバーグ（現在はジャネリア・リサーチ・キャンパス）という 2 人の非常に優秀な大学院生が、当時研究室にいました。私たちは、1970 年代後半から 1980 年代前半にかけて MIT で応答性ポリマーを研究した物理学者、田中豊一の論文に触発されました。彼は、赤ちゃんのおむつの素材と非常によく似た、1000 倍に膨張するこれらのポリマーに取り組んでいました。私たちは標本を採取し、これらの「超膨潤性」ポリマーに埋め込むことに着手しました。パスを見つけたら、すぐに機能し始めました。
しかし、何かを拡大した後でも、顕微鏡は同じ解像度のままです。コンポーネントを離すだけで、物事がより明確になりますか?それとも、分子を標識するのに十分なスペースを作ることがすべてですか?
両方であることがわかります。顕微鏡には回折限界と呼ばれるものがあります。光の波長よりもはるかに小さいものを見ることはできません。そして残念なことに、その限界は、生物学の興味深いところです。しかし、組織を 20 倍に拡大すると、回折限界が 200 ナノメートルの顕微鏡は、事実上 10 ナノメートルの解像度になります。
さらに、生体分子の周りに空間を作ります。選択した化学物質で作られた小さな仮想試験管で各生体分子を囲んでいるようなものです。したがって、あらゆる種類の興味深い分析を実行できます。
これは、他の方法では明らかにできない脳の何を明らかにするのに役立ちますか?
脳回路は大きな物体ですよね？つまり、人間の脳の一部の脳細胞は数センチメートルの大きさです。また、脊髄の一部のニューロンは、体の中で最大の細胞です。感覚から意思決定、行動に至るまで、情報がどのように流れるかを理解したい場合は、全体を見なければなりません。
それでも、神経接続はナノスケールです。ニューロンにその働きをさせるすべての分子はナノスケールです。神経回路について、その仕組みを理解できるほど十分に学びたい場合は、ナノスケールの精度で大きな 3 次元オブジェクトを表示する必要があります。そして、それが拡張によって実現できることです。
あなたはすでにこれを癌の診断に適用しています.
私たちは、当時ハーバード大学にいたアンディ・ベックを含む数人の病理学者と協力して、生検を拡大することで早期乳がんをより適切に診断できるかどうかを確認しました。病気の早期発見は今の大きな目標です。しかし、早期診断は微妙なものを見ることを意味し、微妙とはしばしばナノスケールを意味します。これらは、人間の判断に真に挑戦する診断です。生検を拡大した後、機械学習プログラムをトレーニングして、拡大していない生検よりも正確に診断することができました.
拡大顕微鏡の地平線上には他に何がありますか?
私たちの癌に関する論文が発表されて以来、前立腺癌、膵臓癌の専門家など、多くの人が私に電子メールを送信してきました…人々はすでに、拡大を使用して細胞分裂で染色体がどのように見えるかをマッピングする論文を発表しています。私たちのグループや、ハーバード大学のジョージ・チャーチとティン・ウーのグループと協力して、ゲノムを拡張し、組織内の実際の細胞でその三次元の栄光を観察するために取り組んでいる学生がいます。ウイルスを拡大するという考えについて、ウイルス学者と話し始めています。人々は拡大顕微鏡法をあらゆる種類のものに適用しています。彼らはてんかん患者から人間の脳組織を拡大しました。彼らは、学習とパーキンソン病に関係するマウスの脳回路を拡張しました。彼らは、ウイルスが細胞から細胞へと拡散するために使用するトンネルをマッピングしました。彼らは、血液脳関門に関与する血管構造をマッピングしました。こんなに早く離陸するのを見るのはとてもうれしいです.
あなたのグループの使命の 1 つは、あなたの方法を他の研究者と共有することだと読みました.
私たちは、学界と産業界の約 300 のグループに対して、拡張方法についてトレーニングを行ってきました。バージニア州のジャネリア リサーチ キャンパスでサマー スクールを開催し、サンディエゴのソーク研究所で 2 つのワークショップを開催しました。私たちは、ほぼ毎週、私たちのグループが拡張を行っているのを見るために訪問者を迎えています。そして現在、学界や産業界の文字通り何千もの研究グループとオプトジェネティクス ツールを共有しています。
多くの人が私に共有してくれたことに感謝しているので、それは奇妙です.昔は道具を作って蓄えようとした人がいたからだと思います。しかし、私にとっては、なぜ私に感謝しているのですか？私たちの技術を使ってくれてありがとう。人々が使っていないツールを作ったら、それは失敗です。
あなたのグループはどのようにしてこれらの新しいツールを思いつきましたか?
科学の仕組みは、あなたが幸運で何かをうまくやれば、人々はあなたのために働きたがるというものです。そして、あなたがもう一度何かをうまくやれば、誰もがあなたのために働きたがります!私たちのグループは今、何度も何度も幸運に恵まれているので、グループで働いている人々は本当に素晴らしいです.
私たちは、後ろ向きなグループだと思っています。私たちは問題から逆算し、科学と工学のすべての分野を調査して、思いつく限り最高の技術を見つけ出します。その結果、私たちはしばしば他の人とは反対のことをします。他の人が見ようとしているなら、コントロールしましょう。他の人が拡大しようとしている場合は、爆破しましょう。生物学におけるすべての大きな問題は明らかだと思いますが、人々は自分自身を口に出して問題に直面することを避けています.
どういう意味ですか?
「どんな生物学的質問に興味がありますか?」とよく聞かれます。そして私は、「脳を解決したい」と言います。
そのためには、脳全体の細胞の分子をマッピングするツールが必要です。科学の歴史を見てください。周期表以前の化学は非常に難しかった。しかし、今は周期表があります。基本的に、知っておく必要のあるすべての構成要素のリストがあります。物理学には、マクスウェルの方程式とニュートンの法則、および量子力学の方程式があります。すべての物理法則を 1 ページに収めることができます。生命の構成要素とそれらがどのように相互作用するかを観察できる適切な種類のテクノロジーを使用して、生物学に同様の移行を行うことができるのではないかと思います.
それでどうなるの?
私の究極の夢は、人間の状態である種の悟りを達成できるかということです。脳がどのようにして苦しみを引き起こす欲望や不合理な行動を生み出すかを理解できれば、私たちの心をもっと苦しみのない状態に向けることができるでしょうか?
それが私の主な動機です。これらの脳障害をすべて治すことも私たちの大きな目標ですが、それはこの大きな目標の副産物のようなものです.自分のしていることとその理由を理解していなければ、長生きできるかもしれませんが、意味を達成できるのでしょうか?
今から 30 年後、すべてを把握しているとしましょう —
うまくいけば、それほど長くはありませんが、大丈夫です。
[笑い声] では、生物学を解決するためのタイムラインはいつですか?
よくわかりませんよね？しかし、物事は私が予想していたよりもはるかに速く進んでいると思います。まず、ニューロテクノロジーがクールになりました。就職に苦労したこともあり、メディアラボに入社しました。教員職に応募したほとんどの部門で断られましたが、当時メディア ラボに求人があったというまったくのばかげた運が良かったために採用されました。他の分野からのニューロテクノロジーへの才能の流入は、物事を加速し始めています.
つまり、30 年以内に…
知るか？
… 生物学を解いて、それがどのように機能するかを知ったとしても、まったくがっかりすることはありませんか?心について、またはなぜ私たちが物事を行うのかについて、これ以上謎を解くには?
質問の前提は、謎が消えるということです。しかし、前提が正しいかどうかはわかりません。
私たちは水について多くのことを知っていますが、それはビーチに座って波を見るという瞑想的な性質を消し去ってしまうのでしょうか?私たちは、水素の核融合やすべての元素の生成などを通じて、星がどのように機能するかについて多くのことを知っています。しかし、それでは誰も夜空を見たくないのでしょうか？いろいろな不思議があると思います。また、科学によって強化されていない場合でも、手つかずのままのものもあります。
