Ваш мозг — под контролем: ученые научились стимулировать человечьи эмоции
Молекулярный биолог Всеволод Белоусов рассказал «МК» о создании новоиспеченной области науки — термогенетики
Так было с оптогенетикой, основателем какой считается американский ученый, нейробиолог русского происхождения Борис Земельман, так случилось и с ее производной, термогенетикой — нейронаукой, какая позволяет управлять клетками мозга не с помощью света, а теплом. О том, с кем для этого российским биологам пришлось скрестить клетки млекопитающих, как при поддержки инфракрасного света можно вызвать воспоминания о пережитых кошмарах или принудить сердце биться в нужном вам ритме, «МК» рассказал руководитель междисциплинарного изыскания, заведующий лабораторией молекулярных технологий Института биоорганической химии им. Шемякина и Овчинникова РАН (ИБХ РАН) Всеволод БЕЛОУСОВ.
— Всеволод Вадимович, как вообще вероятно создать новое направление в науке? Не верится, что это под силу одному человеку.
— Никакая район науки не создается на пустом месте. Это всегда развитие чего-то, что уже было. В нашем случае предшественницей термогенетики была оптогенетика, какая позволяет стимулировать нейроны светом. К термогенетике шли разные исследователи во всем вселенной, но нам удалось прийти первыми. Мы с коллегами из МГУ им. Ломоносова вывели стимуляцию нейронов на новоиспеченный уровень. После выхода нашей ключевой статьи летом этого года термин «термогенетика» сделается широко применим и многие лаборатории будут ссылаться в своих трудах именно на нашу публикацию.
— Так чем же вам не угодила оптогенетика?
— Зайдем издали. Нейробиология все время развивается, становится совершеннее. Ученым давным-давно хотелось научиться стимулировать нейроны, воздействовать, к примеру, на два, рядышком расположенные, и наблюдать, чем будет отличаться реакция. И начинали они с того, что втыкали улитке или мыши электрод ровно в нейрон и стимулировали его, подавая через него ток. Время шло, показался более гуманный, неинвазивный метод воздействия на нейрон светом, то кушать оптогенетика. Базируется метод на том, что в природе есть фоточувствительные организмы, к образцу, водоросли, реагирующие на свет. Исследователи выделили из них светочувствительные белки и встроили их в кору головного мозга мыши. Затем довольно было только посветить в нужную область лучом лазера, как нейрон со встроенным белком начинал активизироваться.
— Свет подавался извне прямо через кости черепа?
— Нет, это нашему лучу не под мочь — пришлось делать так называемое краниальное окно, маленькую дырочку в черепе диаметром 2–3 миллиметра. В нее вместо кости вживляется стеклышко, чтобы можно было сквозь него светить. Таким образом, генетически изменяя скот, ученым сейчас удается в живом объекте изучать различные структуры мозга, выделяя фоточувствительным белком водорослей отдельные нейроны. Ранее шли другим путем — чтобы понять, за что отвечает та или иная группа нейронов, попросту убивали часть из них и смотрели, на что влияют оставшиеся или какая функция утеряна.
— Работали методом исключения.
— Да, это был не самый удобный метод. Но, как оказалось впоследствии, и оптогенетика, показавшаяся уже в XXI веке, имеет недостатки. Дело в том, что видимый свет (в основном сейчас используется кубовый лазер) плохо проникает сквозь живые ткани. Для изучения немало глубинных слоев мозга, к примеру, гиппокампа, нужно применять световоды или немало мощные потоки света. Но тут подстерегает опасность: ведь свет при этом становится весьма токсичен. При интенсивном излучении он способен повреждать те клетки, какие мы хотим стимулировать.
Вот на этом этапе мы, как и нейробиологи из других краёв, и подошли к необходимости появления какой-то другой «антенны», какую можно встроить в мозг лабораторной мыши. Надо было отыскать такой белок, который возбуждал бы нейроны не видимым, а инфракрасным светом. Он лучше проникает сквозь ткани, меньше поглощается ими и не токсичен (если вы, конечно, не подкрутите ручку излучателя чересчур сильно). Но все столкнулись с тем, что не знали белка, воспринимающего инфракрасное излучение, какой можно было бы использовать для встраивания в нейрон млекопитающего. Мы такие белки отыщи. У гремучей змеи.
Люди давно заметили, как некоторые ехидны способны определять теплокровные объекты на расстоянии до 2 метров, ведали, какой орган у них при этом задействован — собственный тепловизор (ямка на носу). Он ощущает тепло мыши или другого зверька и передает информацию о них в мозг в облике теплового контура. Исследователи задались вопросом: какой собственно ген ответственен за восприятие тепла? Не так давно мы натолкнулись на статью одного американского генетика, какой идентифицировал в геноме гремучей змеи тот самый белок (TRPA1), ответственный за термочувствительность. После этого нам оставалось точечно вделать ген в геном конкретных нейронов лабораторных животных — рыбки или мышки, чтобы активировать их инфракрасным светом, и система заработала. Мы обеспечили нервные клетки этих живых существ тепловой чувствительностью гремучей ехидны. После достаточно было посветить на животное инфракрасным (ИК) светом и получить необходимый отклик от клеток. ИК-свет может проникать глубже в материалы, не повреждая их. По сравнению с видимым светом он может активировать немало глубокие слои мозга абсолютно неинвазивно — просто при освещении извне ИК-лазером.
— А если нужно воздействовать на тот же гиппокамп?
— А вот для этого необходимы другие помощники. Параллельно с термогенетикой развиваются другие ветви изыскания, целью которого является как раз неинвазивная стимуляция глубоких слоев мозга. Для этого в мозг мыши при поддержки шприца с тончайшей иглой вводят микросферы — ферромагнетики, то кушать очень маленькие шарики, способные нагреваться не ИК-светом, а магнитным полем. Мощный магнит извне действует дистанционно на эти шарики, а они, в свою очередность, нагревают термочувствительные белки, встроенные в нейроны. Получается тот же эффект, что и от ИК-излучения, лишь в глубине мозга.
— Это получается еще одна новая область науки — магнитогенетика?
— Да, можно и так наименовать. Уверен, лет через 10 методы термогенетики будут предназначаться людям.
— Расскажите, каких практических результатов вы добились уже ныне?
— Расскажу, как мы изменили поведение лабораторной рыбки зебрафиш. Нам надо было показать, что технология трудится. И лучше этой маленькой модели было не найти. Малявку этой рыбы легко поместить под микроскоп, у нее, как и у всех нас, кушать сомато-чувствительные нейроны, отвечающие за восприимчивость различных сигналов, к образцу, прикосновения или возмущения воды при приближении крупного хищника. После таких сигналов в натуре рыбка сразу пытается отплыть на безопасное расстояние. Мы достигли такого же эффекта, не притрагиваясь к зебрафиш, а попросту посветив на отвечающие за реакцию сомато-сенсорные нейроны ИК-лазером.
— Как вам получалось светить в нужную зону, ведь малек рыбки подобный маленький, не больше 5 мм в длину?
— Для этого нам пришлось уложить малявку под микроскоп, зафиксировав голову в геле и оставив свободным лишь хвост. Кушать видео, где мы светим на тело такой рыбки инфракрасным лазером и она мастерит взмах хвостом, как бы чувствуя прикосновение. Если бы мы поместили белки-«антенны» в нейроны, ответственные за эмоция страха, то, не пугая рыбку, могли бы вызвать у нее испуг, попросту освещая соответствующую область. Надо отметить, что все нейроны организованы похожим образом. И научившись манипулировать одним видом, можем мастерить это со всеми другими.
— В каком направлении будете продвигаться дальней?
— Сейчас мы тестируем термочувствительные каналы, которые работают в различных диапазонах температур. Ведь для того, чтобы активировать рыбку, необходимы одни температуры (до +28 градусов), для мыши и человека канал открывается при +39. Рослее этой температуры нагревать нейроны человека мы не будем, потому продолжаем искать идеальный канал для теплокровных животных. У нас кушать несколько, надо выбрать лучший. Второе направление, по какому мы сейчас работаем, — пытаемся адаптировать нашу технологию к активации инфракрасным светом не нейронов, а душевной 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 извне свет до нее не дойдет, можно имплантировать к ней поближе управляемый мини-светодиод (образа сердечного стимулятора), который будет мерить уровень глюкозы в крови и при ее росте вовремя посылать сигнал в бета-клетку, ответственную за выработку инсулина. Это в принципе лишь немногие из тех возможностей, какие мы пытаемся исследовать.
— Ну а если вам предложили бы создать человека, лишенного ужаса, этакого зомби-солдата?
— Таких предложений нам пока не поступало. (Смеется.) Но в принципе для нашей технологи нет разницы между стимуляцией нейронов движения, ужаса или агрессии. Области, ответственные за эти реакции, известны, дело лишь за активными исследованиями, отработкой технологии. Можно было бы, наверное, избавить многих людей от навязчивых страхов, а чересчур захватнических успокаивать, действуя на них дистанционно ИК-светом… Для меня наиболее изумительным явился факт того, что за конкретное поведение животного отвечает небольшая группа нейронов. У мухи это могут быть 2–3 клетки, у мыши — десятки. Это, как правило, высокоспециализированные пояса, которые легко поставить под контроль. И поскольку человек генетически не мощно отличается от мыши, то и его поведением тоже можно было бы научиться править. Но, как вы сами понимаете, с использованием таких технологий на людях вечно возникают этические проблемы. Однако осмелюсь предположить, что где-либо работа в таком направлении уже ведется и базой для нее является медицина, — где, как не в лечебном учреждении, можно отыскать достаточное количество людей для отработки стимуляции нейронов в терапевтических мишенях.
Например, уже сейчас ученые на Западе поняли, как вернуть человеку зрение при поддержки оптогенетики. При заболевании, которое называется «пигментный ретинит», наши клетки ретины, которые принимают световой сигнал и передают изображение внутреннему слою нейронов, а затем дальней — в мозг, умирают. Но внутренний-то слой, которому они передавали информацию, — живой. Так подавайте его и сделаем светочувствительным вместо внешних клеток, поместив в его клетки «антенны» из водорослей, разрешили ученые. Также идут исследования по стимуляции зоны мозга, какая недостаточно стимулируется при развитии паркинсонизма…
— Ну, если со светочувствительными «антеннами» в клетках очи все более-менее понятно: свет светит — клетки активируются, то как быть с уничтожением ужасов? Ведь смелым человек сможет становиться лишь на пора действия ИК-луча? Не атрофируется ли после такого облучения природная способность к преодолению ужаса?
— Существуют антенны, которые отвечают на свет быстро, а отключаются медленно. Более того, для некоторых из них известны химические вещества — активаторы. Можно не сиять лазером, а съесть, например, таблетку. Пока вещество в крови, нейрон будет оставаться включенным или, навыворот, выключенным.
— Отвлечемся немного от опто- и термогенетики… Говорят, что для американской армии нейробиологи основывают шлемы для передачи команд на расстоянии силой мысли: начальство только подумал — солдат уже выполняет. Насколько этот метод может быть эффективным?
— Я не весьма хорошо осведомлен об американских секретных технологиях. Но если выговор идет о каких-то шлемах, передающих мысли на расстоянии, то, скорее итого, в них спрятаны приборы, работа которых основана на считывании энцефалограммы мозга. В принципе такое вероятно, но только не в условиях реального боя. Я играл в похожую игрушку — надо было надеть на башку специальный шлем и управлять машинкой силой мысли. Это подлинно получается, но требует длительного времени для сосредоточения и погружения в особое напряженное состояние. Сложно представить себе, что бойцу на поле, где идет стрельба и все решают доли секунды, удастся так сосредоточиться. Желая 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 как сейчас приборы поднаторели в отгадывании мыслей человека?
— Систему можно натренировать прочитывать ваши думы. Но сейчас пока речь идет не о произвольной фразе или манере, а об отдельных элементах. Тренируют программу на отдельных, очень ослепительных и очень разных образах, о которых думает испытуемый: про ребенка, или про гамбургер, или про аэроплан.
Вообще нейробиология — гигантская дисциплина, которая сейчас стремительно развивается. Об этом сообщает хотя бы только тот факт, что на ежегодный съезд нейробиологов в США слетается по 40 тысяч человек со итого мира (другие науки собирают всего по 5–6 тысяч). И при этом мы до сих пор ведаем о работе мозга меньше, чем о любой другой системе, органах или клетках.
— И тем не немного по сравнению с людьми, далекими от науки, вы знаете очень немало про мозг. Наверняка можете поделиться какими-нибудь хитростями по предлогу способов его тренировки?
— Первое и главное, что я сам для себя понял: для расцветай, естественной стимуляции работы мозга ученого нужен… заинтересованность. Если работа интересна и все время побуждает к исследованиям — это неплохая тренировка для мозга, которая подтягивает за собой и все остальные районы жизни. Мозг требует много энергии, но экономить на нем нежелательно — без тренинги он ослабевает, как любой другой орган нашего тела. В немало бытовом плане, занимаясь наукой, я обнаружил, что писать научные статьи или гранты у меня получается гораздо продуктивнее и комфортнее под будет громкую музыку (это из области стимуляции разных областей мозга). Когда я сажусь за пролетарий стол, надеваю мощные студийные наушники, врубаю музыку, моментально погружаясь в нужную мне научную тему, и начинаю, как паровоз, строчить с большой скоростью. Случайно обнаружил эту особенность. Как я раньше без этого жил, не соображаю. Но у всех этот процесс индивидуален.
