16 декабря 2015 г.

Мозг изнутри - современные методы исследования

Был на лекции Павла Билана "Мозг изнутри - современные методы исследования". Он по образованию физик, но уже около 30 лет занимается изучением мозга в институте им. Богомольца, и преподаёт в КПИ. Понравилось. Это здорово, что уже сделано в этой области науки и что ожидается в ближайшей перспективе.

Человеческий мозг - очень сложная система. 86 млрд нейронов, триллионы связей между ними. Как понять что происходит внутри? На данный момент передовой край исследований про структуру и функциональные особенности мозга - это ряд лабораторий США и Human Brain Project (https://www.humanbrainproject.eu/). Это проект ставящий своей целью построить модель мозга человека, ну если не человека, то пока хотя бы мышки. С мышью тоже все непросто - порядка 70 млн нейронов.

Почему мозг сложно исследовать? Во-первых он внутри черепа. Сложно "докапываться". Во-вторых - это оптически непрозрачная среда. Обычные микроскопы слабо полезны. В третьих - очень сложная структура - от клетки (нейрона) размером порядка 1 мкм может уходить ответвление длиной порядка 1 см. И оно всё там переплетается, состыковывается, упаковывается, спрессовывается в невообразимые конфигурации.

В начале биологи пытались подкрашивать определённые молекулы флуоресцентными красками, потом светить на мозговые клетки - подкрашенные молекулы будут светиться каким-то другим цветом, и можно будет смотреть что с теми молекулами происходит. Поскольку молекула типичного белка в среднем примерно в 1000 раз тяжелее молекулы типичного "красителя" которая к нему цепляется, то есть уверенность что подкрашивание не сильно влиет на динамику исследуемых процессов. Однако это сложно - нужно каким-то образом вводить краситель, проблемы с подкрашиванием не только нужного белка а и "чего попало" что было рядом... Прорыв произошёл в связи с развитием генетики. Появилась возможность точечной генной модификации организмов... В результате теперь у ученых есть возможность добавить в генетический код, рядом с фрагментом отвечающим за синтез интересующего белка, кусочек кода отвечающий за создание молекулы красителя и тогда уже в живом организме совершенно есстественным образом будет из ДНК синтезироваться нужный белок уже сразу с прикреплённой к нему молекулой красителя. Это позволяет проводить очень точечные исследования по интересующим белкам. Также это, к примеру, позволяет вывести породу мышек (или любых других существ с ДНК) которые будут светиться в темноте зелёным при облучении их фиолетовым. Показывали фотки. Забавно :)

Когда что-то изучаешь, всегда стоит попробовать вначале разобраться с чем-то простым, а уже потом переходить к сложному. Простым, в контексте изучения мозга, оказались червячки Caenorhabditis elegans (https://en.wikipedia.org/wiki/Caenorhabditis_elegans) организм которых состоит из порядка 900 клеток, из которых нервная система ("мозг") составляет треть, то есть около 300 клеток. Что удивительно, но даже существа с такой совершенно тривиальной нервной системой проявляют признаки социального поведения. На сегодняшний день создана полная и точная (с точностью до молекулы) модель нервной системы этого червячка. То есть с точки зрения структуры узнали всё. Даже сайт есть - "Червячок с открытым кодом" http://www.openworm.org/. :) Но несмотря на такое полное структурное знание, остаётся ещё ряд открытых вопросов по функционированию и поведению этой относительно простой системы. Что же говорить о более сложных организмах.

Далее за дело взялись физики. Первое что они сделали - выяснили что мешает смотреть на мозг в микроскоп. Человек, мышка, большинство других существ - это по сути растворы белковых структур в воде. Что же мешает им быть прозрачными? Почему нам сложно использовать оптический микроскоп? Оказалось, что это из-за липидов, то есть жировых молекул. Если взять мозг той же мыши и подействовать на него веществами расщепляющими жиры, то получается почти совершенно прозрачная субстанция (показывали фотки, странно выглядит))) структуру которой можно затем изучать другими методами и смотреть на мозг в целом. Так появились трехмерные измерения мозга мышек. Также, в результате почти 30-летнего прогресса появились автоматические устройства в которые можно положить мозг, оно там его обработает, порежет на слои толщиной порядка 10 микрон и отсканирует и выдаст на выходе несколько террабайт фото таких срезов, из которых потом на компьютере можно пытаться лепить трёхмерную реконструкцию.

Что ещё прикольного и сделали физики на пару с биологами? За последние 10 лет они создали новую науку - оптогенетику. Началось всё с замечательного наблюдения... Чашка Петри, культура определённых бактерий, с одной стороны чашки включают свет и... бактерии все тикают подальше от света на другую сторону чашки. Каким образом?! У бактерий нет органов чувств, нет нервной системы, как у них получается поведенчески реагировать на свет? Оказалось, у тех бактерий в мембранах есть особенные молекулы которые реагируют на кванты света открывая внутри себя канал для протекания ионов, то есть создавая электрический ток. Выяснение этого факта получило ошеломяющее применение. А давайте, сказали физики, встроим эти фотоэлектрические молекулы в нейроны и тогда, мы сможем генерировать в нейронах электрический ток просто посветив на них, то есть сможем управлять нейронами при помощи света! А давайте при помощи генной модификации заставим организм вырабатывать нейроны с такими молекулами, которые будут реагировать на свет. Такое действительно было сделано и делается сейчас в мире. На червячках, на мышках. Показывали видео мышек с "оптическим интерфейсом" для мозга - для мозга мышки сделана микросхемка, которая по команде с компьютера светит лазером на клетки мозга и они активируются. В завимости от того на какие клетки мозга светят, то можно заставить мышку испытывать боль, заставить её бегать или дать команду остановиться. Также, к примеру, можно управлять взлётом подопытных мух...

На данный момент эти исследования по оптогенетике и управлению мозгом пошли в несколько разных направлений, одно из которых - это оптическое управление культурами мышечных клеток. Сейчас, кажется в Стенфорде, делают микро-робота из выращенной культуры мышечных клеток в оболочке, который может "ходить" за счёт разнообразного сокращения этих клеток под управлением контроллера... Этого микро-робота планируют использовать в диагностике запуская внутрь организма человека, например для прогулки внутри сосудов... В общем proof of concept осуществлён и остался небольшой количественный скачок в сторону киборгов :)

Управление живыми нейронами открывает как широкие возможности по точечному изучению функционирования мозга с одной стороны, так и по различным медицинским применениям, к примеру блокировка хронических или фантомных болей, протезирование и восстановление управлением конечностями, проводятся исследования по болезни Паркинсона...

Как сказал Павел Билан, у нас в Украине это тоже всё умеют делать и в плане образованности не отстают от зарубежных коллег, но конечно исследования проводятся в микромасштабах... соотвественно уровням финансирования, большей частью за счёт помощи из-за рубежа.

Ресурсы

  1. Слайды этой лекции