چگونه داده‌ها به ما کمک می‌کنند پرده از رازهای مغز برداریم

نُه سال پیش، خواهرم در بازو و گردن خود توده‌‌‌‌هایی پیدا کرد که سرطان تشخیص داده شد. از آن روز او از فوایدی بهره‌مند می‌شد که درک درستی که علوم پایه از سرطان دارد، برای او به ارمغان می‌آورد. هربار که پیش دکتر می‌‌‌‌‌‌رفت، نوع خاصی مولکول را اندازه گیری می‌کردند، که نشان می‌داد حال او چطور است و قدم بعدی کدام است. هر چند‌سال گزینه‌های درمانی جدیدی از راه می‌رسید. همه می‌دیدند او چطور دلیرانه با یک بیماری جسمی دست‌وپنجه نرم می‌کند. بهار امسال تحت درماننو‌آورانه‌ای قرار گرفت در یک کارآزمایی بالینی، که به طرز چشمگیری غده را سرکوب کرد. اگر گفتید عید شکرگزاری امسال را با که می‌گذرانم؟ با خواهر سر‌زنده ام، که از من بیشتر ورزش می‌کند، و شاید مثل بسیاری از شما که اینجا هستید، هرچه بیشتر، از یک بیماری کشنده با قید گذشته یاد می‌کند. علم قادر است در طول یک عمر --حتی یک دهه -- مفهوم ابتلا به یک بیماری خاص را بکلی دگرگون کند.
ولی نه برای همه بیماریها. من و دوستم رابرت دردانشگاه هم دوره بودیم. رابرت باهوش بود، ولی هرماه که می‌گذشت انگار تفکر او بیشترمغشوش می‌شد. او ترک تحصیل کرد، در فروشگاهی مشغول به کار شد ... ولی همان هم دشوار شد. رابرت دچار ترس، و مردم‌گریز شد. یک سال‌و نیم بعد دچار صداهای موهومی شد و فکر می‌کرد کسانی تعقیب‌اش می کنند. تشخیص دکترها شیزوفرنی بود. و بهترین داروی ممکن را برای او نوشتند. آن دارو صداها را قدری آرام می‌کرد، ولی برای حفظ ذهن بشاش اوو جوشش اجتماعی او کارگر نبود. رابرت تقلا می‌کرد تا رابطه‌اش را با دنیای رفقا، کار و دانشگاه حفظ کند. او محو می‌شد و من امروز هیچ نشانی از او ندارم. اگر این فیلم را می‌بیند، امیدوارم مرا پیدا کند.
چطور علم پزشکی این‌همه دستاورد برای خواهر من دارد و برای میلیونها نفر مثل رابرت اینچنین دست‌خالی است؟ نیاز در آنجاست. طبق برآورد سازمان جهانی بهداشت بیماریهای مغزی مثل شیزوفرنی، ناهنجاری دوقطبی و افسردگی حاد بزرگترین عامل سالها افتادگی از کار و از زندگی در تمام جهان هستند. بخشی به آن دلیل که این ناراحتی‌ها اغلب در آغاز زندگی بروز می‌کنند، به هر‌ طریق در بهترین دوران زندگی، درست وقتی افراد فارغ‌التحصیل می‌شوند، آغاز بکار می‌کنند، دارای روابط و خانواده می‌شوند. این ناراحتی‌ها می‌توانند منجر به خودکشی شوند، اغلب سبب می‌شوند فرد قادر به انجام کار به بهترین شکل نباشد، و پایان‌های غم‌بار بسیاری به بار می‌آورند که قابل اندازه‌گیری نیستند: روابط و پیوندهای گسیخته، فرصت‌های از دست‌رفته برای رسیدن به رویاها و آرزوها. این بیماریها امکانات بشری را به صورت‌هایی که نمی‌توان اندازه گرفت، پایین می‌آورند.
ما در عصری زندگی می‌کنیم که علوم پزشکی پیشرفتهای شگرفی در عرصه‌های دیگر بدست آورده‌است. نمونه خوب آن بیماری خواهر من است همچنین بیماریهای قلبی. داروهایی چون استاتین‌ها از میلیونها سکته قلبی و مغزی پیشگیری می‌کنند. وقتی به این عرصه‌های شگرف پیشروی پزشکی نگاه می‌کنیم در زمانی که ما زندگی می‌کنیم، می‌بینیم یک داستان مشترک دارند: دانشمندان به مولکولی دست یافتند که برای یک بیماری مهم بود، و سپس راههایی برای ردیابی و اندازه‌گیری آن ابداع کردند، همچنین مسیرهایی برای مداخله در نحوه کار آن مولکول بکمک مولکول دیگری -- به نام دارو. یک راهبردی که بارها و بارها ثمربخش بوده است. نوبت به مغز که می‌رسد اما،آن راهبرد دچار محدودیت می‌شود. چرا که امروز دانش ما هنوز کافی نیست از‌اینکه مغز چگونه کار می‌کند. ما می‌بایست دریابیم کدامیک از سلولها در یک بیماری نقش دارند، و کدام مولکول آن سلولها در بیماری نقش دارند. و این رسالتی است که امروز می‌خواهم از آن گفتگو کنم.
آزمایشگاه من فن‌آوری‌هایی را ایجاد می‌کند تا مغز را بتوان بدل به یک صورت‌مساله کلان‌داده کرد. قبل از اینکه زیست‌شناس بشوم من درحوزه ریاضی و کامپیوتر کار می‌کردم، و این درسی است که فرا گرفتم: هر جا بشود دست به گردآوری انبوهی از اقسام داده‌های مناسب زد، درباره اینکه یک سیستم چگونه کار می‌کند، می‌توان از رایانه، با شیوه‌های پرقدرت نوینی بهره جست برای درک آن سیستمو اینکه بیاموزیم چگونه کار می‌کند. رویکردهای کلان داده امروز در‌حال دگرگون ساختن بخش‌های هرچه وسیع‌تراقتصاد ما هستند و می‌توانند همین تاثیر را بر علوم زیستی و پزشکی بگذارند. ولی می‌بایست داده‌های مناسب را در اختیار داشت. داده درباره چیزهای مناسب. این اغلب نیازمند ایده‌ و فن‌آوری‌ نوین است. و این رسالتی است که دانشمندان را درآزمایشگاه من بر‌انگیخته می‌کند.
امروز می‌خواهم دو قصه کوتاه از کاری که می‌کنیم برایتان بگویم. یک سد بنیادی بر سر راه ما در تلاش برای تبدیل مغز به مساله کلان‌داده آن است که مغز ما از میلیاردها یاخته (سلول) ترکیب و ساخته شده، و کار این یاخته‌ها عمومی نیست، بلکه تخصصی است. همانطور که آدمها در حرفه‌های خود هستند. اینها هم بین هزاران گونه حرفهٔ سلولی، در یکی تخصصی شده، و نوع خاصی از سلول می‌شوند.
در واقع هر یاخته بدن ما می‌شد یک سخنرانی پرشور TED اجرا کند درباره کاری که انجام می‌دهد. ولی در‌جایگاه دانشمند،ما امروز حتی نمی‌دانیم چند نوع یاخته وجود دارد، و نمی‌دانیم سرفصل بیشتر آن سخنرانی‌ها چه می‌توانست باشد. ولی، چیزهای مهم بسیاری از انواع یاخته‌ها می‌دانیم. می توانند به طور چشمگیری در اندازه و شکل متفاوت باشند. یکی به مولکولی پاسخ می‌دهد که آن دیگری نمی‌دهد، مولکولهای متفاوتی تولید می‌کنند. اما دست‌یابی علوم به این بینش‌ها عمدتا مرتبط با شرایط ویژه و برای یک نوع سلول بوده و یک نوع مولکول. ما می‌خواستیم کاری کنیم تا بشود همه اینها را روشمند و با‌سرعت بیاموزیم.
حالا، تا همین اواخر اینطوربود که اگرمی‌خواستیم موجودی کل مولکولی را بررسی کنیم در ناحیه‌ای از مغز یا اندامی دیگر، اول می‌بایست همه آنرا له می‌کردیمو بشکل خمیر همگن سلولی درمی‌آوردیم. ولی این یک اشکال دارد. همین که از سلول‌ها خمیری تهیه کنیم فقط می‌توانیم محتوای سلول میانگین رامطالعه کنیم و نه فرد فرد سلولها را. تصور کنید اگر می‌خواستیم درکی ازشهربزرگی چون نیویورک بدست آوریم، ولی فقط با دست‌رسی به مرور بخشی از آمار فرد متوسط ساکن نیویورک. بدیهی است چیز زیادی دستگیرمان نمی‌‌شد، زیرا تمام آنچه جالب، با‌اهمیت و پرهیجان است، در آن‌همه نا‌همگونی، و ویژگی داشتن است. این دربارهٔ سلولهای ما هم صادق است. ما می خواستیم مطالعهٔ مغز را نه به مثابه خمیر سلولی بلکه سالاد میوهٔ سلولی ممکن سازیم، تا در آن تولید داده، و فراگیری دربارهٔ هر قطعهٔ میوه به تنهایی امکان‌پذیر باشد.
بنابر‌این یک فن‌آوری برای انجام این کار پدید آوردیم. الان فیلمی درباره آن خواهید دید. اینجا ما ده‌ها هزار سلول منفرد را بسته بندی می‌کنیم، هر کدام در یک قطره آب کوچک جدا برای بررسی مولکولی جداگانه. هنگامی که سلول وارد قطره می‌شود یک دانه مهرهٔ کوچکی به او خوشآمد می‌گوید که حامل میلیونها مولکول رمز خط‌ نماد DNA می‌باشد. و هر مهره توالی رمز متفاوتی ارايه می‌دهد برای سلول متفاوتی. ما رمز خط‌ نماد DNA را پیوست به مولکول RNA در هر سلول می‌کنیم. اینها رونوشت مولکولی هستند که سلول می‌سازد مطابق ژن‌های خاصی که برای انجام حرفه اش بکار می‌برد. سپس میلیاردها از این مولکول‌های ترکیبی را توالی خوانی می‌کنیم و توالی خوانی به ما می‌گوید از کدام سلول و کدام ژن هر مولکول سرچشمه گرفته‌ است.
ما این رویکرد را "دراپ-سیک" نامیده‌ایم زیرا با کمک قطره سلولها را برای تحلیل از هم جدا می‌کنیم. و با رشته‌های DNAبرچسب‌گذاری می‌کنیم تا بررسی و و پیگیری همه چیزها ممکن باشد. اکنون هرگاه آزمایشی انجام می‌دهیم، ده‌ها هزار سلول واحد را بررسی می‌کنیم. و امروزه در این بخش از علوم، چالش روز‌افزون این شده است که چطور هرچه بیشتر بیاموزیم، و تا جای ممکن هر چه سریع‌تر، از این مجموعه داده‌‌های گسترده.
هنگامی که دست‌ بکار ساختندراپ-سیک بودیم دیگران می‌گفتند "اوه، این راه ورود شما به هر طرح عظیم مغز را خواهد گشود" ما اینگونه نگاه نمی‌کردیم. دانش وقتی در یهترین حالت است که هر کس موفق به تولید داده‌های مهیج زیادی بشود. ازاینرو ما یک دستورعمل ۲۵ صفحه‌ای نوشتیم که با کمک آن هر دانشمند علوم بتواند سیستم دراپ-سیک خود را از صفر بسازد. این کتابچه آموزشی از تارنمای آزمایشگاه ما، تا حالا ۵۰٫۰۰۰ بار در دو سال گدشته، بارگیری شده است. ما نرم‌افزاری نوشتیم تا هر دانشمند بتواند آنرا برای تحلیل داده هایآزمایش دراپ-سیک بکار برد، و آن نرم‌افزار هم رایگان است، و از تارنمای ما ۳۰٫۰۰۰ بار در دو سال گذشته بارگیری شده‌است. و صدها آزمایشگاه به ما درباره یافته‌های خود نوشته‌اند از بکارگیری این رویکرد. امروزه این فناوری برای پدید‌آوردن یک اطلس یاخته انسانی بکار می‌رود. این یک اطلس از همه گونه‌هاییاخته (سلول) در بدن انسان خواهد بود و ژن‌های ویژه‌ای که هر گونه سلول در انجام وظیفه‌ خود بکار می‌برد.
اکنون می‌خواهم از چالش دومی بگویم که ما با آن هنگام برگرداندن مغز به یک موضوع بزرگ داده‌ای، روبروییم. آن چالش این است که می‌خواهیم درباره مغزهای صدها هزار انسان زنده بیاموزیم. ولی مغز مادامی که زنده هستیم قابل دسترسی نیست. چگونه می‌توان به عوامل مولکولی پی برد وقتی نمی‌توان مولکولها را در دست گرقت؟ یک پاسخ از این واقعیت می آید کهپراطلاعات ترین مولکول‌ها، پروتئین ها، در DNA ما رمزگذاری شده‌اند، که حاوی دستوری هستند که یاخته‌های ما برای ساختن پروتئین‌ها از آن پیروی می‌کنند. و این دستورها برای فرد فرد ما متفاوت است طوری که سبب می‌شوند پروتیٔین‌های ما از فردی به فرد دیگر فرق کنند در چگونگی دقیق ترتیب وتوالی و در مقادیری که هر یاخته از هر پروتئین‌ تولید می‌کند. همه در مولکول DNA ما کدگذاری شده‌، و همه ژنتیک است. ولی نه آن ژنتیکی که در مدرسه آموخته‌ایم.
آیا ب بزرگ و ب کوچک را به یاد می‌آورید؟ اگرب بزرگ را ارث ببرید چشم‌تان قهوه‌ای خواهد شد؟ ساده است. صفات بسیار کمی به این سادگی هستند. حتی در رنگ چشم ما هم خیلی بیشتر ازفقط یک مولکول رنگدانه نقش دارد. و چیزی به پیچیدگی عملکرد مغز ما زادهٔ سروکارداشتن هزاران ژن با‌هم است. و درهر یک از این ژنها ‌تفاوت هدفدارانه‌ای است از یک فرد به فردی دیگر، و هر یک از ما یک ترکیب بی نظیراز این گوناگونی هستیم. این یک فرصت داده‌ای بزرگ است. و امروز بطور روز‌افزون امکان پیشروی در اندازه‌ای که پیشترهرگز ممکن نبود، فراهم است. بهره‌مندسازی مطالعات ژنتیکی از سوی همگان بطرز بی‌سابقه‌ای است، و دانشمندان در سراسر جهان داده ها را با یکدیگر به اشتراک می گذارند تا به این پیشرفت سرعت ببخشند.
می‌خواهم حکایت کوتاهی از کشفی که بتازگی کرده‌ایم برایتان بگویم در خصوص ژنتیک شیزوفرنی. این کار با کمک ۵۰٫۰۰۰ نفر از سی کشور میسر شد که DNA خود را برای پژوهش در باب شیزوفرنی اهدا کردند. از سالها پیش می‌دانستیم که بیشترین تاثیر ژنوم انسانی در بالا بردن خطر ابتلا به شیزوفرنی از سوی ناحیه‌ای از خزانه ژنی ژنوم است که بسیاری از مولکول‌های دستگاه ایمنی ما را رمزگذاری می‌کند. بی‌آنکه بدانیم کدام ژن مسئول آن است. یک دانشمند در آزمایشگاه من روش جدیدی برای بررسی DNA با رایانه پدید آورده‌است، و کشف شگفت انگیزی کرد. او فهمید ژنی که "جزء چهارم سامانه کمپلمان" نامیده میشود -- نام کوتاه آن C4 سی چهار است -- به چندین صورت مختلف در خزانه ژنی افراد مختلف ظاهر می‌شود، واین اشکال متفاوت هر یک مقادیر متفاوتی از پروتیٔین C4 در مغز ما تولید می‌کند. و او دریافت که هر چه بیشترژنهای ما از این پروتیٔین C4 بسازند، خطرابتلا به شیزوفرنی در ما بیشتراست.
با این‌همه C4 تنها یک عامل خطر است در میان یک سامانه پیچیده. این ب بزرگ نیست. ولی بینشی است درباره مولکولی که مهم است. پروتئین‌های کمپلمان از جمله C4 مدت درازی است که شناخته شده‌اند بخاطر نقش‌شان در سامانه ایمنی، که به یک برگه یادداشت می‌مانند که می‌گوید، "مرا بخور". و این برگه یادداشت روی بسیاری از بقایا و سلولهای مرده در بدن ما زده می‌شود تا یاخته‌های ایمنی را دعوت به از میان بردن اینها کند. اما دو نفر از همکاران من دریافتند که برگه یادآوری C4 همچنین بر روی سیناپس‌های مغز قرار می‌گیرد و نابودی آنها را جلو می‌اندازد. و اما ساختن و از میان بردن سیناپس‌ها یک بخش طبیعی از تکامل و یادگیری انسان است. مغز ما مرتبا سیناپس می‌سازدو نابود می‌کند. ولی از نتایج ژنتیکی چنین برمی‌آید که در شیزوفرنی، فرآیند نابودی ممکن است فراتر رود.
دانشمندان چندین شرکت دارویی به من می گوینداز این کشف هیجان زده اند، زیرا آنها سالها روی پروتیٔین‌های کمپلمان در سیستم ایمنی کار کرده‌اند، و چیزهای زیادی درباره نحوه کار آنها آموحته‌اند. آنها حتی مولکولهایی پدید آورده‌اند که با پروتیٔین‌های کمپلمان تداخل می‌کند، و حالا می‌خواهند آنها را در مغز، همچنین دستگاه ایمنی به امتحان بگذارند. این می‌تواند راهی به سوی یک دارویی باشد برای علت ریشه‌ای و نه فقط یک نشانه بیماری. ما بس امیدواریم این کار که توسط دانشمندان بسیار و در طول سالیان در حال انجام است به پیروزی بینجامد.
ولی C4 تنها یک نمونه است از توانایی رویکردهای علمی داده پردازانه برای گشودن راه‌های جدیدی بر موضوعات پزشکی یک قرن گذشته. صدها نقطه در خزانه ژنی ما وجود دارد که خطری برای بروز بیماری مغزی بشمار می‌آید، وهر کدام آنها می‌تواند ما را به بینش مولکولی بعدی درباره یک مولکول مهم رهنمون شود. ودر صدها گونه یاخته این ژنها در ترکیبهای گوناگون، بکار برده می‌شوند. همچنان که ما و دیگر دانشمندان درکار تأمین سایر اطلاعات مورد نیاز و فراگرفتن تمام آنچه می‌توان،از این داده‌ها هستیم، امیدوارهستیم جبهه‌های نوین بیشتری را بگشاییم. ژنتیک و بررسی سلول واحد فقط دو شیوه برای تبدیل مغز به موضوع داده‌ای بزرگ است.
کارهای بیشتری هست که می‌توان انجام داد. دانشمندان آزمایشگاهم فناوری‌ای می‌آفرینند برای نقشه‌برداری سریع تماس‌های سیناپسی مغز تا بتوان فهمید کدام پی‌یاخته با کدام پی‌یاخته دیگرگفتگو دارد و این گفتگو چگونه در مسیر عمر و بیماری تغییر می‌کند. و ما داریم شیوه‌ای را پدید می‌آوریم تا با یک لوله واحد آزمایش کنیم چگونه یاخته‌هایی با صدها ژنوم انسانی مختلف به یک محرک پاسخ متفاوتی می‌دهند. این طرح‌ها افرادی را گرد‌هم می‌آورد، از پیشینه گوناگون آموزش و منافع ناهمگون -- زیست‌شناسی، کامپیوتر، شیمی،ریاضی، آمار، مهندسی. ولی امکانات علمی، افراد با منافع ناهم‌راستا را گرد هم می‌آورد تا با تمرکز با هم کار کنند.
آینده‌ای که به ساختن آن بتوان امیدوار بود کدام است؟ سرطان را در نظر بگیرید. ما از یک عصر جاهلیت درباره ریشه سرطان، که در آن سرطان عموما به ویژگی‌های روانی شخصی نسبت داده می‌شد، به یک درک مولکولی مدرن از علل واقعی بیولوژیکی سرطان، هجرت کرده‌ایم. این درک مولکولی امروزمنتهی به یک داروی نوآورانه پس از داروی نوآورانه دیگر می‌شود، و اگرچه هنوز کار زیادی مانده که باید کرد، در پیرامون خود اکنون مردمی را می‌بینیم که از سرطان هایی شفا یافته‌اند که در یک نسل عقب‌ترغیر‌قابل درمان تصور می‌شدند. و میلیونها نفر از رهایی یافتگان از چنگار (سرطان) همچون خواهر من دارای سالهای زندگی شده‌اند که مسلم نبودند همچنین فرصتهای تازه‌ برای کار و شادمانی و پیوند با انسانها. این آینده‌ای است که ما مصمم هستیم تا پیرامون بیماریهای ذهنی بوجود آوریم آینده‌ای از درک واقعی و همدردی و امکان بی‌پایان.
متشکرم.
(تشویق)