Tainy mozga_NG-02-2014

И этот крохотный кусочек мозга оказался похож на бочку, полную извивающихся змей. Кастхури обнаружил там тысячу аксонов и около 80 дендритов – разветвленных отростков, каждый из которых образовывал около 600 синаптических связей с другими нейронами в пределах «цилиндра». «Этот пример дает понять, насколько мозг сложнее, чем мы думаем», – поясняет Ликтмэн.

Да, мозг сложен, но не хаотичен: Ликтмэн и Кастхури обнаружили, что каждый нейрон контактирует с одним-единственным соседом, тщательно избегая связей практически со всеми другими тесно окружающими его нейронами. «Похоже, им не все равно, с кем взаимодействовать», – говорит Ликтмэн. Пока он не может сказать, является эта разборчивость общим правилом или особенностью конкретного крошечного участка мышиного мозга. Даже при том, что он и его коллеги совершенствуют свою технологию, им понадобится еще два года, чтобы завершить сканирование всех 70 миллионов мышиных нейронов. Я спрашиваю, сколько времени может занять сканирование целого человеческого мозга, в котором нейронов в тысячу раз больше, чем в мышином. «Лучше об этом не думать», – отшучивается Ликтмэн.

КОГДА (И ЕСЛИ) ЛИКТМЭН ЗАВЕРШИТ свою работу, трехмерный портрет мозга поможет найти ответы на многие вопросы, но все равно останется не более чем очень точной скульптурой. Сканированные нейроны – пустые макеты; настоящие нейроны наполнены живой ДНК, белками и другими молекулами. Каждый вид нейронов использует определенный набор генов, чтобы построить молекулярный механизм, необходимый для выполнения особых функций. Например, светочувствительные нейроны глаз создают белки, улавливающие фотоны, а нейроны, находящиеся в участке под названием черная субстанция, производят белок дофамин, влияющий на появление у человека чувства удовлетворения. Знания о том, где какие белки образуются, необходимы для понимания того, как работает мозг – и как он начинает сбиваться с пути истинного. Так, при болезни Паркинсона

нейроны черной субстанции вырабатывают меньше дофамина; при заболевании Альцгеймера по мозгу распространяются клубки таубелка – правда, пока непонятно, почему это приводит к тяжелому слабоумию.

Карта молекулярных механизмов мозга, получившая название «Алленовский атлас мозга», создана в Алленовском институте исследований мозга в Сиэтле, который был основан десять лет назад на средства, пожертвованные Полом Алленом, одним из соучредителей компании Microsoft. Работающие в институте ученые исследуют мозг недавно умерших людей (с разрешения их родственников). С помощью МРТ высокого разрешения получают изображение мозга и используют его в качестве трехмерного плана, на который наносят изученные участки. Затем мозг нарезают на микроскопически тонкие слои, выкладывают их на стеклянные подложки, а после пропитывают химическими веществами, которые выдают присутствие активных генов, находящихся в нейронах. На сегодня исследователи обработали мозг шести человек

изафиксировали деятельность 20 тысяч кодирующих белки генов на 700 участках каждого мозга. Это колоссальный объем данных, и его еще только начинают осмысливать. По оценке ученых, 84 процента всех генов нашей ДНК так или иначе задействованы в работе различных областей мозга взрослого человека. (Более простым органам, вроде сердца или поджелудочной железы, нужно для работы куда меньше генов). В каждом из 700 участков нейроны приводят в действие особую группу генов.

Во время предварительного изучения двух участков мозга ученые сравнили тысячу генов, важных, как установили ранее, для функционирования нейронов. Как оказалось, у всех шести человек участки мозга, в которых действовал каждый из этих генов, практически совпали. Похоже на то, что мозг обладает тонкой

исложной генетической структурой, и особые сочетания генов выполняют те или иные задачи в различных его областях. А многие болезни мозга, вероятно, возникают тогда, когда определенные гены «выключаются» или начинают работать неправильно.

Тело клетки

«Мотор» нейрона, ответственный за производство энергии и синтез белков.

На фотографии участка высотой в миллиметр видны нервные клетки, образующие правильные слои и столбики.

*Этот снимок взят из другого банка данных.

В ГЛУБИНАХ МОЗГА

Мысли, ощущения, эмоции, действия – все это рождается из невообразимо сложных взаимодействий между миллиардами нервных клеток. Фрагмент мышиного мозга (вверху) размером не более крупинки соли служит окном в этот тайный мир.

Сегодня ученые впервые получили возможность увидеть, как нейроны на самом деле взаимодействуют друг с другом. Три изображения справа были окрашены, но это не рисунок художника, а сделанные с разным увеличением фотографии настоящих нейронов, находящихся в той части мышиного мозга, который воспринимает сигналы с ее мордочки. Возможно, скоро технология будет усовершенствована настолько, что можно будет создать подобную реконструкцию всего мышиного мозга, а в итоге – и неизмеримо более сложного мозга человека, что позволит понять природу шизофрении, депрессии и других психических заболеваний.

Дендриты

Ветвящиеся отростки, получающие сигналы от других нейронов.

На изображении того же участка, увеличенном в сто раз, видны кровеносные сосуды среди розовых тел клеток и клубков аксонов и дендритов.

ПОЛОВИНА ЖЕСТКИХ ДИСКОВ МИРА

Для того чтобы получить изображение всего человеческого мозга с таким же разрешением, как на представленных здесь снимках, понадобился бы ресурс памяти, равный половине того, что сегодня есть во всех компьютерах мира.

Аксон

Длинный (до 1,2 метра) неветвящийся отросток, передающий возбуждение к другим нейронам и рабочим органам.

При увеличении еще в сто раз становятся различимы аксоны (синие) и дендриты (желтые). Похожие на бутоны дендритные шипики получают информацию от аксонов других клеток через синаптические щели.

Концевая пластинка аксона

Конечная часть аксона, где находятся синаптические щели и хранятся нейромедиаторы, – химические вещества, которые, заполняя щели, передают сигнал дендритам других нейронов и мышцам.

Глиальные клетки

Выполняют опорную и защитную функции, а также уничтожают отмершие нейроны.

На фотографии этого же участка, увеличенной еще в сто раз, видны синаптические пузырьки (желтые точки), содержащие нейромедиаторы, которые переносят химические послания через синапсы, сигнализируя нервным клеткам, что им надо возбудиться или, наоборот, успокоиться.

Все данные, содержащиеся в «Алленовском атласе мозга», доступны онлайн, и другие ученые могут знакомиться с ними с помощью специальной программы. Это помогает совершать новые открытия. Так, группа бразильских исследователей использовала эти данные для изучения синдрома Фара – разрушительной болезни, при которой происходит обызвествление участков, расположенных в глубине мозга. С помощью атласа бразильцы обнаружили, что в тех участках мозга, которые поражает это заболевание, особенно активен ген SLC20A2. Чтобы исключить ошибку, они ищут другие гены, активные в тех же частях этого органа.

ВОЗМОЖНО, САМЫЙ УДИВИТЕЛЬНЫЙ из новых способов визуализации мозга изобрел стэнфордский нейробиолог и психиатр Карл Диссерот с коллегами. Чтобы увидеть мозг, ученые для начала заставляют его исчезнуть.

Когда я приехал в лабораторию Диссерота, студентка Дженелл Уоллес провела меня к лабораторному столу с подставкой из пенопласта, на которой было установлено полдюжины чашек Петри. Уоллес взяла одну из них и показала мне лежащий на дне мышиный мозг размером с горошину. Но я смотрел не столько на мозг, сколько сквозь него: он был прозрачен как стеклянный шарик.

Нет нужды уточнять, что обычный мозг, как человеческий, так и мышиный, непрозрачен – его клетки окутаны жиром, глиальной (соединительной) и другими тканями, не пропускающими свет. Именно поэтому Рамону-и-Кахалю пришлось окрашивать нейроны, чтобы увидеть их, а Ликтмэну и его коллегам – нарезать мозг на тонкие слои. Преимущество прозрачного мозга заключается в том, что мы можем заглянуть внутрь, не разрушая его. Карл Диссерот и его ученик Квангхун Чунг нашли способ заменять рассеивающие свет соединения в мозге прозрачными молекулами. Сделав мышиный мозг прозрачным, они далее могут пропитывать его светящимися химическими маркерами, которые присоединяются только к заданным белкам и высвечивают определенный путь, соединяющий нейроны в отдаленных друг от друга

участках мозга. После промывки добавляют другие химикаты, выявляющие местоположение и структуру следующего типа нейронов – так шаг за шагом можно, не разрубая, распутать гордиев узел нейронных сплетений.

Нейробиологов непросто чем-нибудь удивить, но метод Диссерота, получивший название CLARITY (от английского «ясность», «прозрачность»), буквально потряс их. «Это фантастически круто!» – говорит Кристоф Кок, научный директор Алленовского института.

Поскольку у нас с мышами были общие предки, прозрачный мышиный мозг может многое рассказать и о том, как работает мозг человеческий. Но Диссерот ставит перед своим коллективом более амбициозную цель – сделать прозрачным человеческий мозг. Это куда сложнее, не в последнюю очередь потому, что наш мозг

втри тысячи раз больше мышиного. Полученная с помощью CLARITY картинка,

показывающая местонахождение всего лишь одного типа белков в мозге одного человека, будет «весить» около двух петабайт, то есть столько же, сколько несколько сотен тысяч фильмов

ввысоком разрешении. Диссерот надеется, что когда-нибудь CLARITY поможет людям вроде его нынешних пациентов выявлять скрытые причины таких заболеваний, как аутизм и депрессия. Но Карл не позволяет себе слишком увлечься этой мечтой. «Нам предстоит пройти такой долгий путь, что я не советую людям пока даже и думать об этом, – говорит он. – Это пока только разведка».

Как бы много информации однажды ни дал нам прозрачный мозг, он все равно будет мертвым. Ученым нужны другие инструменты, для того чтобы исследовать живой мозг. Помочь

вэтом могут томографы Вана Ведина, если их перепрограммировать. Функциональная магнитно-резонансная томография (ФМРТ) выявляет участки мозга, задействованные при выполнении тех или иных мыслительных задач. За последние два десятилетия с помощью ФМРТ были найдены цепочки, вовлеченные в мыслительные процессы всех типов, от распознавания лиц и наслаждения чашечкой кофе до воспоминаний о душевных травмах.

ФМРТ-снимки, на которых мозг расцвечен всеми цветами радуги, безусловно, производят впечатление, но нужно помнить, что это довольно-таки грубые изображения. Самые мощные томографы могут засекать активность только на уровне кубических миллиметров, то есть кусочков ткани размером с кунжутное зерно. Внутри этих зернышек сотни тысяч нейронов согласованно обмениваются сигналами. Как эти сигналы взаимодействуют друг с другом, вызывая более масштабные процессы – те, что засекает ФМРТ, – остается загадкой.

«Есть просто до смешного простые вопросы о коре головного мозга, на которые мы до сих пор не можем ответить», – говорит Клэй Рид из Алленовского института. Рид приехал в Сиэтл, надеясь найти ответы на некоторые из этих вопросов с помощью серии экспериментов, которые он и его коллеги называют «умоскопом» (MindScope). Их цель – понять, каким образом большое количество нейронов выполняет сложную задачу.

Функция мозга, которую выбрали Рид его коллеги, – зрение. Нейробиолог может поместить электрод на участок мышиного мозга, задействованный в процессе зрительного восприятия, и затем следить: начинают ли близлежащие нейроны испускать электрические сигналы, когда животное видит тот или иной объект. Этот подход позволил выяснить, какие участки мозга, имеющие отношение к зрению, специализируются на тех или иных задачах – например, на определении контуров объектов или на восприятии яркости. Однако ученые не могли рассмотреть, как эти участки взаимодействуют, а значит, не могли узнать, как миллион или около того нейронов в зрительных структурах мозга мыши мгновенно собирает информацию, складывающуюся в образ кошки.

Группа Рида приступает к решению этой задачи, разводя мышей, зрительные нейроны которых будут испускать вспышки света в тот момент, когда они возбуждаются, скажем, при виде кошки или вкусной корочки сыра. Затем ученые попытаются, объединив данные, построить математические модели зрения. Если модели окажутся точными, можно будет в

буквальном смысле слова прочитать, что у мыши на уме.

ИССЛЕДОВАНИЯ ЗРЕНИЯ МЫШЕЙ, проводимые Ридом, – это еще один шаг на пути к конечной цели всей нейробиологии: составить исчерпывающее представление о том, как на самом деле работает сложнейший орган, то есть создать теорию мозга. До этого еще очень далеко, но есть одна область исследований – нейрокомпьютерный интерфейс, – успехи в которой уже начали изменять жизнь людей.

В43 года Кэти Хатчинсон перенесла обширный инсульт и потеряла способность двигаться

иговорить. Лежа на койке в Центральной клинике Массачусетса, она постепенно поняла, что врачи не знают, жив ее мозг или нет. Сестра Хатчинсон спросила у нее, понимает ли она ее слова, и Кэти удалось ответить, подняв глаза. «Это было для меня таким большим облегчением! – делится со мной Хатчинсон 17 лет спустя. – Ведь все говорили обо мне так, словно я умираю».

Сейчас в Массачусетсе морозный зимний день. Хатчинсон сидит в инвалидном кресле посередине своей гостиной, одетая в темнозеленый спортивный костюм и кроссовки. Кэти по-прежнему почти полностью парализована

ине способна говорить, но может общаться: смотрит на буквы на компьютерном мониторе, прикрученном к ее креслу, а видеокамера следит за движением крошечного металлического диска, укрепленного в центре ее очков.

Вмозге есть область, называемая двигательной корой, где возникают команды мышцам. Каждый участок этой коры отвечает за движения определенных частей тела. У парализованных людей двигательная кора часто остается неповрежденной, однако не может командовать телом, поскольку между нейронами и мышечными клетками утеряна связь. Джон Донохью, нейробиолог из Университета имени Брауна, решил помочь парализованным людям, получив доступ к сигналам их двигательной коры. Возможно, таких пациентов удастся научить печатать на компьютере или управлять механизмами исключительно силой мысли. Донохью

БИОНИЧЕСКИЙ МОЗГ

Люди, перенесшие травму позвоночника, не могут двигаться, потому что связи между их мозгом и телом больше не существует. Ученые надеются, что

вбудущем им удастся восстанавливать двигательные способности с помощью механического скелета, управляемого мыслями того, кто его носит. Это чрезвычайно сложная задача: чтобы пациент мог посылать экзоскелету команды, в его мозг необходимо имплантировать сотни датчиков. Кроме того, сигналы должны поступать и в обратном направлении, от чувствительных датчиков, дающих мозгу информацию о положении тела

впространстве.

4Чувствительные датчики передают в мозг информацию

об окружающей среде.

Чтобы человек ощущал положение своего тела в пространстве, экзоскелет испещрен датчиками, собирающими сведения о структуре поверхностей, точках касания с ними и давлении на них через покрытие, похожее на сенсорную панель (вверху). Сигналы, несущие эти сведения, поступают в мозг.

Электроды толщиной с человеческий волос собраны в пучки,

как щетинки на зубной щетке. В экспериментах на обезьянах (фото на странице слева) используются четыре пучка, соединенные с двумя тысячами нейронов. Чтобы вернуть способность ходить, человеку понадобится их гораздо больше.

1Пучки электродов направляют сигналы в центральный обраба-

тывающий модуль (установлен на шлеме), который преобразует сигналы в четкие команды.

2Команды по беспроводной связи передаются в компьютер (в ранце), координиру-

ющий сложные движения при ходьбе.

3Миниатюрные моторы на экзоскелете, получая команды от компьютера, двигают суставы и конечности.

ДЖЕЙСОН ТРИТ, NGM STAFF; ЭНТОНИ ШИК. РИСУНОК: БРАЙАН КРИСТИ

ИТОЧНИКИ: МИГЕЛЬ НИКОЛЕЙЛИС, УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ДЮКА; ГОРДОН ЧЕНГ, ИНСТИТУТ ИЗУЧЕНИЯ КОГНИТИВНЫХ СИСТЕМ, МЮНХЕНСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ, ГЕРМАНИЯ