Человеческий мозг — один из самых плохо изученных органов нашего организма, который время от времени подбрасывает нам сюрпризы. Сначала мы были уверены, что используем всего 10 процентов мозга, а сейчас, в XXI веке, выясняется, что все 100. Думали, что нервные клетки не восстанавливаются, а на самом деле очень даже восстанавливаются, только с меньшей скоростью, чем другие. Ученые мечтают научиться управлять нервной деятельностью, к примеру, активировать или стирать память, возвращать зрение, помогать человеку двигаться. И что интересно, наиболее перспективные технологии по-прежнему рождаются в России. Ну, или, по крайней мере, в России рождаются те, кто потом создает новые технологии в других странах.
Так было с оптогенетикой, основателем которой считается американский ученый, нейробиолог русского происхождения Борис Земельман, так случилось и с ее производной, термогенетикой — нейронаукой, которая позволяет управлять клетками мозга не с помощью света, а теплом. О том, с кем для этого российским биологам пришлось скрестить клетки млекопитающих, как при помощи инфракрасного света можно вызвать воспоминания о пережитых кошмарах или заставить сердце биться в нужном вам ритме, «МК» рассказал руководитель междисциплинарного исследования, заведующий лабораторией молекулярных технологий Института биоорганической химии им. Шемякина и Овчинникова РАН (ИБХ РАН) Всеволод БЕЛОУСОВ.
— Всеволод Вадимович, как вообще возможно создать новое направление в науке? Не верится, что это под силу одному человеку.
— Никакая область науки не создается на пустом месте. Это всегда развитие чего-то, что уже было. В нашем случае предшественницей термогенетики была оптогенетика, которая позволяет стимулировать нейроны светом. К термогенетике шли разные исследователи во всем мире, но нам удалось прийти первыми. Мы с коллегами из МГУ им. Ломоносова вывели стимуляцию нейронов на новый уровень. После выхода нашей ключевой статьи летом этого года термин «термогенетика» станет широко применим и многие лаборатории будут ссылаться в своих работах именно на нашу публикацию.
— Так чем же вам не угодила оптогенетика?
— Зайдем издалека. Нейробиология все время развивается, становится совершеннее. Ученым давно хотелось научиться стимулировать нейроны, воздействовать, к примеру, на два, рядом расположенные, и наблюдать, чем будет отличаться реакция. И начинали они с того, что втыкали улитке или мыши электрод прямо в нейрон и стимулировали его, подавая через него ток. Время шло, появился более гуманный, неинвазивный метод воздействия на нейрон светом, то есть оптогенетика. Базируется метод на том, что в природе есть фоточувствительные организмы, к примеру, водоросли, реагирующие на свет. Исследователи выделили из них светочувствительные белки и встроили их в кору головного мозга мыши. Затем достаточно было только посветить в нужную область лучом лазера, как нейрон со встроенным белком начинал активизироваться.
— Свет подавался снаружи прямо через кости черепа?
— Нет, это нашему лучу не под силу — пришлось делать так называемое краниальное окно, маленькую дырочку в черепе диаметром 2–3 миллиметра. В нее вместо кости вживляется стеклышко, чтобы можно было через него светить. Таким образом, генетически изменяя животное, ученым сейчас удается в живом объекте изучать различные структуры мозга, выделяя фоточувствительным белком водорослей отдельные нейроны. Раньше шли другим путем — чтобы понять, за что отвечает та или иная группа нейронов, просто убивали часть из них и смотрели, на что влияют оставшиеся или какая функция утеряна.
— Действовали методом исключения.
— Да, это был не самый удобный метод. Но, как оказалось впоследствии, и оптогенетика, появившаяся уже в XXI веке, имеет недостатки. Дело в том, что видимый свет (в основном сейчас используется синий лазер) плохо проникает сквозь живые ткани. Для изучения более глубинных слоев мозга, к примеру, гиппокампа, нужно применять световоды или более мощные потоки света. Но тут подстерегает опасность: ведь свет при этом становится весьма токсичен. При интенсивном излучении он способен повреждать те клетки, которые мы хотим стимулировать.
Вот на этом этапе мы, как и нейробиологи из других стран, и подошли к необходимости появления какой-то другой «антенны», которую можно встроить в мозг лабораторной мыши. Надо было найти такой белок, который возбуждал бы нейроны не видимым, а инфракрасным светом. Он лучше проникает через ткани, меньше поглощается ими и не токсичен (если вы, конечно, не подкрутите ручку излучателя слишком сильно). Но все столкнулись с тем, что не знали белка, воспринимающего инфракрасное излучение, который можно было бы использовать для встраивания в нейрон млекопитающего. Мы такие белки нашли. У гремучей змеи.
Люди давно заметили, как некоторые змеи способны определять теплокровные объекты на расстоянии до 2 метров, знали, какой орган у них при этом задействован — собственный тепловизор (ямка на носу). Он чувствует тепло мыши или другого зверька и передает информацию о них в мозг в виде теплового контура. Исследователи задались вопросом: какой именно ген ответственен за восприятие тепла? Не так давно мы натолкнулись на статью одного американского генетика, который идентифицировал в геноме гремучей змеи тот самый белок (TRPA1), ответственный за термочувствительность. После этого нам оставалось точечно вставить ген в геном конкретных нейронов лабораторных животных — рыбки или мышки, чтобы активировать их инфракрасным светом, и система заработала. Мы снабдили нервные клетки этих живых существ тепловой чувствительностью гремучей змеи. После достаточно было посветить на животное инфракрасным (ИК) светом и получить нужный отклик от клеток. ИК-свет может проникать глубже в ткани, не повреждая их. По сравнению с видимым светом он может активировать более глубокие слои мозга абсолютно неинвазивно — просто при освещении снаружи ИК-лазером.
— А если нужно воздействовать на тот же гиппокамп?
— А вот для этого нужны другие помощники. Параллельно с термогенетикой развиваются другие ветви исследования, целью которого является как раз неинвазивная стимуляция глубоких слоев мозга. Для этого в мозг мыши при помощи шприца с тончайшей иглой вводят микросферы — ферромагнетики, то есть очень маленькие шарики, способные нагреваться не ИК-светом, а магнитным полем. Сильный магнит извне действует дистанционно на эти шарики, а они, в свою очередь, нагревают термочувствительные белки, встроенные в нейроны. Получается тот же эффект, что и от ИК-излучения, только в глубине мозга.
— Это получается еще одна новая область науки — магнитогенетика?
— Да, можно и так назвать. Уверен, лет через 10 методы термогенетики будут служить людям.
— Расскажите, каких практических результатов вы добились уже сегодня?
— Расскажу, как мы изменили поведение лабораторной рыбки зебрафиш. Нам надо было показать, что технология работает. И лучше этой маленькой модели было не найти. Малька этой рыбы легко поместить под микроскоп, у нее, как и у всех нас, есть сомато-чувствительные нейроны, отвечающие за восприимчивость различных сигналов, к примеру, прикосновения или возмущения воды при приближении крупного хищника. После таких сигналов в природе рыбка сразу пытается отплыть на безопасное расстояние. Мы достигли такого же эффекта, не притрагиваясь к зебрафиш, а просто посветив на отвечающие за реакцию сомато-сенсорные нейроны ИК-лазером.
— Как вам удавалось светить в нужную зону, ведь малек рыбки такой маленький, не больше 5 мм в длину?
— Для этого нам пришлось уложить малька под микроскоп, зафиксировав голову в геле и оставив свободным лишь хвост. Есть видео, где мы светим на тело такой рыбки инфракрасным лазером и она делает взмах хвостом, как бы чувствуя прикосновение. Если бы мы поместили белки-«антенны» в нейроны, ответственные за чувство страха, то, не пугая рыбку, могли бы вызвать у нее испуг, просто освещая соответствующую область. Надо отметить, что все нейроны устроены похожим образом. И научившись манипулировать одним видом, можем делать это со всеми другими.
— В каком направлении будете продвигаться дальше?
— Сейчас мы тестируем термочувствительные каналы, которые работают в разных диапазонах температур. Ведь для того, чтобы активировать рыбку, нужны одни температуры (до +28 градусов), для мыши и человека канал открывается при +39. Выше этой температуры нагревать нейроны человека мы не будем, поэтому продолжаем искать идеальный канал для теплокровных животных. У нас есть несколько, надо выбрать лучший. Второе направление, по которому мы сейчас работаем, — пытаемся адаптировать нашу технологию к активации инфракрасным светом не нейронов, а сердечной мышцы. При аритмии можно было искусственно задать ритм, чтобы сердце сокращалось с заданной частотой. Ту же технологию можно использовать для выработки инсулина бета-клетками поджелудочной железы. Поскольку снаружи свет до нее не дойдет, можно имплантировать к ней поближе управляемый мини-светодиод (типа сердечного стимулятора), который будет мерить уровень глюкозы в крови и при ее росте своевременно посылать сигнал в бета-клетку, ответственную за выработку инсулина. Это в принципе лишь немногие из тех возможностей, которые мы пытаемся исследовать.
— Ну а если вам предложили бы создать человека, лишенного страха, этакого зомби-солдата?
— Таких предложений нам пока не поступало. (Смеется.) Но в принципе для нашей технологи нет разницы между стимуляцией нейронов движения, страха или агрессии. Области, ответственные за эти реакции, известны, дело только за активными исследованиями, отработкой технологии. Можно было бы, наверное, избавить многих людей от навязчивых страхов, а чересчур агрессивных успокаивать, действуя на них дистанционно ИК-светом... Для меня наиболее удивительным явился факт того, что за конкретное поведение животного отвечает малая группа нейронов. У мухи это могут быть 2–3 клетки, у мыши — десятки. Это, как правило, высокоспециализированные зоны, которые легко поставить под контроль. И поскольку человек генетически не сильно отличается от мыши, то и его поведением тоже можно было бы научиться управлять. Но, как вы сами понимаете, с использованием таких технологий на людях всегда возникают этические проблемы. Однако осмелюсь предположить, что где-нибудь работа в таком направлении уже ведется и базой для нее является медицина, — где, как не в лечебном учреждении, можно найти достаточное количество людей для отработки стимуляции нейронов в терапевтических целях.
Например, уже сейчас ученые на Западе поняли, как вернуть человеку зрение при помощи оптогенетики. При заболевании, которое называется «пигментный ретинит», наши клетки сетчатки, которые принимают световой сигнал и передают изображение внутреннему слою нейронов, а затем дальше — в мозг, умирают. Но внутренний-то слой, которому они передавали информацию, — живой. Так давайте его и сделаем светочувствительным вместо внешних клеток, поместив в его клетки «антенны» из водорослей, решили ученые. Также идут исследования по стимуляции зоны мозга, которая недостаточно стимулируется при развитии паркинсонизма...
— Ну, если со светочувствительными «антеннами» в клетках глаза все более-менее понятно: свет светит — клетки активируются, то как быть с уничтожением страхов? Ведь смелым человек сможет становиться лишь на время действия ИК-луча? Не атрофируется ли после такого облучения природная способность к преодолению страха?
— Существуют антенны, которые отвечают на свет быстро, а выключаются медленно. Более того, для некоторых из них известны химические вещества — активаторы. Можно не светить лазером, а съесть, например, таблетку. Пока вещество в крови, нейрон будет оставаться включенным или, наоборот, выключенным.
— Отвлечемся немного от опто- и термогенетики... Говорят, что для американской армии нейробиологи создают шлемы для передачи команд на расстоянии силой мысли: начальник только подумал — солдат уже выполняет. Насколько этот метод может быть эффективным?
— Я не очень хорошо осведомлен об американских секретных технологиях. Но если речь идет о каких-то шлемах, передающих мысли на расстоянии, то, скорее всего, в них спрятаны приборы, работа которых основана на считывании энцефалограммы мозга. В принципе такое возможно, но только не в условиях реального боя. Я играл в похожую игрушку — надо было надеть на голову специальный шлем и управлять машинкой силой мысли. Это действительно получается, но требует длительного времени для сосредоточения и погружения в особое напряженное состояние. Сложно представить себе, что солдату на поле, где идет стрельба и все решают доли секунды, удастся так сосредоточиться. Хотя было бы странно, если бы такие или подобные этим разработкам не велись вообще. Если они и ведутся, то с прицелом на 50 лет вперед.
— А насколько сейчас приборы поднаторели в отгадывании мыслей человека?
— Систему можно натренировать прочитывать ваши мысли. Но сейчас пока речь идет не о произвольной фразе или образе, а об отдельных элементах. Тренируют программу на отдельных, очень ярких и очень разных образах, о которых думает испытуемый: про ребенка, или про гамбургер, или про самолет.
Вообще нейробиология — гигантская дисциплина, которая сейчас стремительно развивается. Об этом говорит хотя бы только тот факт, что на ежегодный съезд нейробиологов в США слетается по 40 тысяч человек со всего мира (другие науки собирают всего по 5–6 тысяч). И при этом мы до сих пор знаем о работе мозга меньше, чем о любой другой системе, органах или клетках.
— И тем не менее по сравнению с людьми, далекими от науки, вы знаете очень много про мозг. Наверняка можете поделиться какими-нибудь хитростями по поводу способов его тренировки?
— Первое и главное, что я сам для себя понял: для хорошей, естественной стимуляции работы мозга ученого нужен... интерес. Если работа интересна и все время побуждает к исследованиям — это хорошая тренировка для мозга, которая подтягивает за собой и все остальные области жизни. Мозг требует много энергии, но экономить на нем нежелательно — без тренировки он ослабевает, как любой другой орган нашего тела. В более бытовом плане, занимаясь наукой, я обнаружил, что писать научные статьи или гранты у меня получается гораздо продуктивнее и комфортнее под довольно громкую музыку (это из области стимуляции разных областей мозга). Когда я сажусь за рабочий стол, надеваю мощные студийные наушники, врубаю музыку, мгновенно погружаясь в нужную мне научную тему, и начинаю, как паровоз, писать с большой скоростью. Случайно обнаружил эту особенность. Как я раньше без этого жил, не понимаю. Но у всех этот процесс индивидуален.
Автор: Наталья Веденеева
