Новая эра в нейронауке

«Петер Хегеманн и Георг Нагель обнаружили в одноклеточных водорослях замечательный белок каналородопсин. Карл Дейссерот превратил этот белок в светоуправляемый переключатель для нервных клеток», — говорится в сообщении Нобелевского комитета. Лауреаты, как отмечается в сообщении, заложили фундамент новой эры в нейробиологии.

Путь в две с половиной тысячи лет

Картирование мозга — задача, над которой бились исследователи разных эпох. Гиппократ (460‒370 гг. до н. э.) пришел к выводу, что «из мозга, и только из мозга, возникают наши удовольствия, радости, смех и шутки, точно так же как и наши горести, боль, печаль и слезы».

Исламскому ученому XI века Ибн аль-Хайсаму принадлежит первая в истории схема зрительных путей от глаза до мозга. В XVI веке Иероним Бруншвиг создал «схему внутренних чувств в желудочках мозга». Эта тема занимала Леонардо да Винчи, известно множество нарисованных им изображений головы и желудочков мозга. Он считал, что воображение, мышление и память локализуются в полостях, а не в тканях мозга. В конце XIX века Сантьяго Рамон-и-Кахаль впервые изобразил ткань мозга в виде нейронной сети.

Поиски взаимосвязей между отдельными участками мозга и функциями тела и сознания продолжались весь XX век.

Прорыв с помощью одноклеточной водоросли

В начале 2000-х годов Петер Хегеманн и Георг Нагель открыли на поверхности одноклеточной зеленой водоросли хламидомонады светочувствительный белок каналородопсин. Это ионный канал, который открывается под действием синего света и приводит к генерации нервного импульса. Позже к исследованиям в этом направлении присоединился Карл Дейссерот. Встраивая светочувствительный белок микроорганизмов в мембраны нервных клеток крыс, он показал, что можно управлять их активностью. Так появилось новое направление, которое назвали оптогенетикой. «Оптогенетика дает возможность управлять как отдельными нейронами, так и сетью нейронов, проследить, как изменения их активности влияют на поведение, память, эмоции и движения! — пояснила “Стимулу” доктор биологических наук, профессор Института компьютерных наук Национального исследовательского технологического университета МИСИС, ведущий научный сотрудник НИЦ человекознания им. Б. Г. Ананьева СПбГУ Ирина Шошина.

Она полностью разделяет мнение Нобелевского комитета о том, что Хегеманн, Нагель и Дейссерот открыли новую эру в нейронауках и молекулярной биологии: «Научный мир получил тонкий и точный инструмент управления активностью клеток, инструмент к познанию тайн мозга, природы различных заболеваний и их терапии».

«Это прорыв! Достаточно серьезный прорыв в области исследовательских технологий» — такую характеристику в беседе со «Стимулом» дал работам новых лауреатов профессор, доктор медицинских наук директор Института мозга человека им. Н. П. Бехтеревой Михаил Дидур. По его мнению, открытия нобелиатов стали «очередной чертой, разделившей науку на “до” и “после”». По степени научной значимости оптогенетика, по его мнению, находится на уровне создания лазера, хотя речь и идет о другой научной области. «Сегодня лазеры нашли применение во всем: от техники до медицины, искусства и так далее. Нобелевский комитет четко обозначил: оптогенетика — это новая стартовая точка для тех областей науки, которые работают с живым мозгом человека», — уверен наш собеседник.

Михаил Дидур обратил внимание на правила работы Нобелевского комитета, который придерживается достаточно жесткой процедуры при отборе лауреатов. Круг специалистов, которые исследуют ту или иную тематику, обычно достаточно широк. «Нобелевскую премию получают те, кто добился максимально высокого результата, находился на пике исследований», — говорит наш собеседник. В данном случае было именно так: появившаяся благодаря работам Хегеманна, Нагеля и Дейссерота новая область науки позволяет работать с отдельными клетками в живом организме, активировать отдельные нейроны.

Возвратить зрение

Ирина Шошина полагает, что открытый нобелиатами совершенно новый метод только набирает популярность и пока ввиду малоизученности не очень активно используется, но она уверена, что активность в этом направлении будет нарастать.

«В настоящее время оптогенетическая генная терапия стала методом восстановления зрения при самых запущенных стадиях дегенерации сетчатки, — рассказала она. — Пигментный ретинит, возрастная макулярная дегенерация, врожденный амавроз Лебера и болезнь Штаргардта приводят к необратимой слепоте. Пигментный ретинит поражает приблизительно два миллиона человек во всем мире, при этом более 50 процентов пациентов достигают юридической слепоты к 60 годам. Введение светочувствительных белков — опсинов — в сохранившиеся клетки сетчатки позволяет восстановить фоточувствительность». По данным Ирины Шошиной, в настоящее время исследуются несколько светочувствительных опсинов для оптогенетического восстановления зрения.

Дегенеративные изменения сетчатки уже корректируются с помощью нового метода. Разрабатываются и исследуются новые опсины, выявляются те из них, которые проявляют большую активность при повреждении различных слоев сетчатки глаза. «Для восстановления зрения оптогенетика начала применяться в первую очередь», — констатирует Ирина Шошина.

Необъятные возможности

При этом новый метод обещает поистине широчайшее применение. «Использование светочувствительных белков не ограничивается восстановлением зрительной функции. Оптогенетика дает возможность управлять как отдельными нейронами, так и сетью нейронов, проследить, как изменения их активности влияют на поведение, память, эмоции и движения — самых разных высших психических функций в норме и при патологии», — отмечает Ирина Шошина.

Ученые, по ее словам, получили «инструмент, который приблизит науку к пониманию тех заболеваний, природа которых в настоящий момент спорна, на этот счет существует много разных, иногда противоречивых теорий».

«Оптогенетика дает возможность определить, какие клетки возбуждаются, например, при различных видах эпилепсии, какие нейронные цепи отвечают за то или иное заболевание, что очень важно, например, для самых распространенных нейродегенеративных заболеваний — болезней Альцгеймера и Паркинсона», — пояснила эксперт.

Имевшиеся до этого в распоряжении нейронауки инструменты картирования и стимуляции клеток мозга, от МРТ до электростимуляции, по оценке Ирины Шошиной, были очень грубыми: они позволяли лишь схематически понять, какие нейронные сети связаны с определенными функциями. Оптогенетика же «тонкий и точный инструмент, в отличие от всех тех методов, которые существовали до нее». «Это самый высокий по пространственному разрешению метод, который позволяет не только оценивать роль тех или иных нейронов и сетей, но и управлять их активностью. Если мы в какую-то совокупность клеток вводим светочувствительный белок, то с помощью фотостимуляции мы можем активировать эти нейронные сети. Это позволяет создавать в том числе и новые нейроинтерфейсы», — отмечает Шошина.