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

13 декабря 2015 г.

Впечатления о TEDx Kyiv 2015

Шёл на ‎TEDx Kyiv 2015‬ за расширением кругозора и порцией вдохновения. Хоть я и считаю, что смотреть короткие неглубокие выступления - это один из самых наиболее неэффективных способов восприятия информации, но иногда хорошее настроение которое получаешь в результате перевешивает свербящее чувство нерационально потраченного времени. В отношении киевского ТЕДа этого года можно сказать что событие удалось и меня радует что я там был.

Начался день с эмоционально сильного выступления волонтёра Виталия Дейнеги. Он говорил о смерти и о жизни. О раке и о тепловизорах. О цене смерти и о цене жизни в наше время. Его рассказ задал очень высокую планку в смысле сопереживания услышанному, и эта планка на протяжении дня так и осталась не превзойдённой. Ещё один волонтёр - Давид Арахамия, очень порадовал презентацией событий своей жизни, с детства и до наших дней в Украине, в виде аналогии к компьютерной игре. Там было всё - от "прогнать босса", "ошибка в программе - аннексия Крыма" и до "начать уровень сначала".

Ярослав Грицак в паре с Евгением Глебовицким рассуждали о направлении развития украинского общества. Каким оно есть и в какую сторону следует эволюционировать. О том, что внедрять стоит идеи достойные "постоянства". От них я узнал новое для себя и ёмкое слово - субсидиарность, означающее концепцию решения проблем на самом низком уровне вовлечённости. И это, по мнению Грицака и Глебовицкого, - одна из ключевых идей, внедрение которой позволило бы прогрессировать социуму в Украине.

Сегодня были выступления двух музыкантов - бандуриста Георгия Матвеева и пианиста Павла Игнатьева. Георгий очень понравился, и у меня действительно появилась мысль о бандуре как о самодостаточном и разнопланово звучащем инструменте. Мне даже немного стыдно и неловко, что я не купил диск который он мне предлагал в неформальной обстановке в перерыве на обед. Павел Игнатьев - мне кажется он человек немного "не от мира сего", я совершенно не воспринимал его слова и местами пробивало на "ха-ха", но играл он очень здорово, заслушался.

Немного разочаровали спикеры-предприниматели. И если концептуально Юрко Филюк, основатель "Urban Space 100" во Франковске и идеолог "Теплого міста", вызывал отзывчивость сутью своих проектов, но сама презнтация была имхо слабая, то выступление Захара Пашуна, человека делающего в Украине электромобили, откровенно не понравилось, при всём уважении к тому что он делает. Всё таки ТЕД - это во-первых больше про "поделиться идеей", а не про "продать себя или свой проект", а во-вторых по-моему местами он нёс полуконспирологическую чушь про мировых производителей (электро)авто и солнечные батареи.

Отдельная тема - зарубежные гости киевского ТЕДа. Это были двое журналистов, разработчик системы электронного голосования и исследователь в области лидерства. Очень разные доклады, очень разные впечатления.

Журналист БиБиСи Natalia Antelava поднимала проблему хронологии и контекста в современной журналистике и в журналистике в целом. О том что почти вся журналистика, в том виде в котором она есть в мире, хороша для рассказа об отдельных событиях, но плохо справляется с передачей историй которые развиваются во времени длительно. Плохо передаёт временной контекст для читателя-слушателя. Что Natalia с единомышленниками делают с этой проблемой и как её можно пытаться решить при помощи современных технологий. Очень понравилось. Думаю ещё покопаю на эту тему. Военный корреспондент Simon Ostrovsky из VICE News рассказывал свою историю в плане конфликта на востоке Украины, о том насколько трудно иногда понять где правда, а где вымысел и дезинформация в условиях информационной войны, об усилиях которые стоит прилагать для поиска истины и об её ценности.

David Bismark, разработчик системы голосования, несколько лет назад был спикером на оригинальной конференции TED. Наверное с одной стороны мне очень интересна тема (электронных) систем голосования, и с другой - вероятно у меня были завышенные ожидания от его выступления. Поэтому в целом его лекция мне не понравилась - очень мало конкретики и очень много философии на тему свободы в мире, защиты информации и правительств. Я ожидал больше "земного", а он рассказывал очень правильные вещи, но очень уж обобщёнными словами. Надо будет посмотреть его выступление на оригинальной TED и ещё почитать про разработанную им систему.

Erez Eshel, бывший спецназовец, а теперь идеолог школ лидерства по всему Израилю и уже нескольких открывающихся в Украине, - мега зажигательный чувак и спикер. :) Часть своей речи удачно строил аналогии между современным миром и местом лидерства в нём и книгами про Гарри Поттера. Потом сказал, что в контексте последних лет мы, Украина и украинцы, исключительные на европейском пространстве в плане лидерства, потому что ЕвроМайдан. Говорил о том что лидерство - это прежде всего умение брать на себя отвественность за будущее и что стоит выращивать поколение людей способных на это.

Крайне порадовали представители украинского научного сообщества. Алексей Болдырев сделал легкий и приятный экскурс в некоторые аспекты науки в Украине и в целом. На мой взгляд это было самое гармоничное и душевное выступление за сегодня. Люди, ищите правду, проверяйте информацию на научность, и доверяйте учёным, они того стоят. :) Александр Коляда сделал лаконичную и захватывающую презентацию о геронтологии (науке о старении) и генетике. На данный момент уже есть препараты, сделав единственную иньекцию которых можно в разы продлить жизнь подопытных животных. И уже сейчас начали проходить клинические испытания десятки подобных препаратов для людей. В общем, главное продержаться ещё лет 20-30, сохранить своё тело в максимально хорошем состоянии, а там, глядишь, и уже таблеточки для "бессмертия" появятся на рынке. :)

Ну, и в финале вечера на сцену пригласили Валерия Пекаря. Он, как всегда, зажёг. :) Про Украину, про развитие, про философию будущего. Про концепцию "Запорожской Сечи в 21 веке". Было здорово, но на мой вгляд немножко сжато и сумбурно. Он попытался втиснуть максимум информации в минимум времени, поэтому большей частью его выступление состояло из ёмких отдельных выражений. Плюс, не знаю как оно бы воспринималось людьми которые раньше Пекаря никогда не слушали. Ну, наверное аудитория киевского ТЕДа была не такая.

Непревзятости ради стоит сказать, что после Пекаря закрывал вечер Иван Пух, ритмотерапевт, но у меня язык не поворачивается назвать это выступлением. :) Это был скорее финальный акцент от организаторов. :) В целом впечатления и послевкусие о конференции остались хорошие. Всем спасибо и до следующего года.

Моя подборка выступлений

  1. Наука для України | Олексій Болдирєв
  2. Ген старіння | Олександр Коляда
  3. Ціна життя | Віталій Дейнега
  4. Субсидіаризуйтесь — поборете | Ярослав Грицак & Євген Глібовицький
  5. Квест громадянського активізму | Давид Арахамія
  6. Модернізація України у глобальному контексті | Валерій Пекар
  7. Новітня музика бандури | Георгій Матвіїв

Все выступления можно найти в отдельном списке на YouTube.