Эд Бойден: Переключатель для нейронов

Эд Бойден рассказывает, как посредством внедрения генов светочувствительных белков в клетки мозга можно выборочно активировать или деактивировать отдельные нейроны с помощью оптоволоконных имплантантов. С таким невероятным качеством контроля ему удалось вылечить мышей с аналогами посттравматического стрессового расстройства и определенными формами слепоты. На горизонте - нейронное протезирование. Ведущий - Хуан Энрикес - задает несколько вопросов в конце лекции.

Перевод с английского (Alina Bychkova) :

Представьте свой обычный день. Вы проснулись, вдохнули свежий воздух, выйдя за дверь, встретили новых коллег и что-нибудь обсудили, поразились, узнав что-нибудь новое. Но готов поспорить, кое о чем вы не вспомнили - о чем-то настолько близком, что вы, возможно, об этом не так часто думаете. А именно - о том, что все ощущения, решения и действия осуществляются посредством компьютера в вашей голове под названием мозг.

Внешний вид мозга никак не отражает его устройства - розовато-сероватая, бесформенная масса, но за последние сотню лет нейробиология позволила нам заглянуть внутрь мозга, и увидеть, как непросто он устроен. От ученых мы узнали, что мозг - это невероятно сложная электросхема, состоящая из миллионов клеток, которые называются нейронами. В отличие от компьютера, созданного людьми, где количество деталей вполне обозримо - и мы знаем, как они работают, потому что это мы их сделали - мозг состоит из тысяч разновидностей клеток, может быть, даже десятков тысяч. Они разной формы; они состоят из разных молекул; и они тесно связаны с различными областями мозга. А также они меняют свое поведение при разных болезнях.

Давайте конкретизируем. Есть клетки особого класса, которые подавляют и успокаивают соседние клетки. Они оказываются атрофированными, например, при шизофрении. Это корзинчатые нейроны. И это - один из тысяч видов клеток, которые мы изучаем. Каждый день открываются новые виды. Еще один пример: эти крупные клетки в форме пирамид могут охватывать значительную часть мозга. Они действуют возбуждающе. А эти клетки - одни из тех, которые становятся гиперактивными, например, при эпилепсии. Каждая из этих клеток - это невероятный электроприбор. Они получают импульс от тысяч соседей сверху цепочки и пересчитывают собственный электрический импульс, который, дойдя до определенного порога, перейдет к соседям вниз по цепочке. И этот процесс, занимающий около одной миллисекунды, происходит тысячи раз в минуту в каждой из ваших сотен миллионов клеток, все время, пока вы живете, думаете и чувствуете.

Как же мы выясним, что делает эта электросхема? В идеале мы бы прошли по всей цепочке элементов, включая и выключая разные виды клеток, и отмечая, какие из них участвуют в тех или иных функциях, и какие работают неправильно при тех или иных патологиях. Если бы мы могли активировать клетки, мы бы увидели, что они запускают и за что они отвечают. Если бы могли их выключить, мы бы попытались понять, зачем они нужны. Об этом я собираюсь вам сегодня рассказать. И, честно говоря, последние 11 лет мы провели, выясняя, как эти схемы, клетки, и отделы мозга можно включать и выключать, чтобы понять их работу и преодолеть некоторые проблемы, которые стоят перед человечеством.

Прежде чем я расскажу о технологии, я сообщу неприятную вещь: большинство из нас, если мы проживем достаточно долго, вероятно, получат расстройство мозга. Уже миллион людей имеют расстройство мозга, которое сделало их недееспособными. И цифрами этого не выразить.

Эти нарушения - шизофрения, болезнь Альцгеймера, депрессия, зависимость - они не только отнимают наши годы жизни, но и меняют нас; они влияют на нашу индивидуальность и меняют эмоции - они меняют нас как людей. В 20 веке была надежда на разработку медикаментов, которые лечат расстройства мозга. И хотя были созданы новые препараты, которые могут ослаблять симптомы расстройств мозга, ни одно из них нельзя вылечить. И отчасти потому, что мы лечим мозг химически. Наша "электросхема", созданная из тысяч видов клеток, погружается в химическую субстанцию. Вот почему, наверное, большинство лекарств - но не все - имеют серьезные побочные эффекты.

Некоторые люди чувствуют облегчение от электрических стимуляторов, имплантированных в мозг. И что касается болезни Паркинсона, улиточные имплантанты как раз смогли дать некоторое облегчение людям, страдающим от подобных расстройств. Но электрический импульс идет во все направления - по пути наименьшего сопротивления, в буквальном физическом смысле. Он влияет как на нормальные участки, так и на те, которые нужно исправить. Таким образом, мы снова пришли к проблеме очень точного контроля. Могли бы мы задавать импульсу точное место действия?

Когда я 11 лет назад начал заниматься нейробиологией, у меня было образование электроинженера и физика, и первое, что мне пришло в голову, было то, что нейроны - это электроприборы, и все, что нужно сделать, это управлять этими приборами дистанционно. Если бы мы могли дать разряд одной клетке, не влияя на соседние, у нас был бы способ активировать и подавлять разные клетки, выяснить, как они участвуют в системе, в которую они встроены. Также это дало бы нам очень точный контроль, чтобы исправить те расчеты "электросхемы", которые были нарушены. Как же мы это сделаем? В природе существует множество молекул, которые могут преобразовывать свет в электричество. Можно представить их как молекулы белка, которые похожи на фотоэлементы. Если мы встроим эти молекулы в нейроны, этими нейронами можно будет управлять с помощью света. А их соседи без встроенных молекул будут нетронуты. Есть один фокус, который нужно проделать, чтобы это удалось - нужно, чтобы свет мог проникнуть в мозг. Для этого - кстати, мозг не чувствует боли - и, учитывая достижения, применяемые для интернета, коммуникаций и так далее - можно поместить в мозг оптоволокно, которое можно использовать, например, на животных в преклинических исследованиях, активируя нейроны и наблюдая за ними.

Итак, как это работает? Примерно в 2004 году в сотрудничестве с Герхардом Нэйджелом и Карлом Дайссеротом мы придумали, как воплотить эту идею. Есть вид свободно плавающих морских водорослей, которые ориентируются по свету, чтобы оптимально фотосинтезировать.

Они улавливают свет небольшим глазком, который работает не так, как работает глаз. В его мембране или оболочке есть белки, которые преобразуют свет в электричество. Эти белки называются каналродопсином. И эти белки действуют как фотоэлементы, о которых я говорил. Когда светит синий свет, белок приоткрывается и позволяет частицам света проникнуть в глазок. И таким образом глазок получает электрический сигнал как солнечная батарея, которую заряжают фотоны.

То есть нам нужно взять эти молекулы и каким-то образом встроить их в нейроны. А поскольку это белок, он зашифрован в ДНК этого организма. То есть нужно взять этот ДНК, создать на его основе вектор генной терапии наподобие вирусного, и доставить его в нейроны. Это было продуктивное время в генной терапии, вирусы стали использовать для доставки генетического материала. Наша задача оказалась легко выполнимой. И одним ранним летним утром 2004 года нам удалось реализовать это с первой попытки. Берется этот ДНК и закладывается в нейрон.

После этого нейрон средствами собственной строительной системы производит эти чувствительные к свету белки и распределяет их по всей клетке, наподобие солнечных батарей на крыше. И в результате этого получается нейрон, который можно активировать светом. Очень эффективный метод.

Одной из проблем было понять, как доставить гены в нужные клетки и избежать его попадания в соседние. Это оказалось возможным. Можно "выстрелить" вирусом, так что он попадет в определенные клетки. Есть и другие генетические хитрости для получения клеток, которые активируются светом. Эту методику называют сейчас оптогенетикой. И в качестве примера ее возможностей: можно взять целую сеть клеток и использовать вирус, чтобы доставить ген только в один вид клеток этой сплетенной сети. Затем, когда свет попадет на всю сеть, активируется только один тип клеток.

Например, рассмотрим корзинчатые нейроны, о которых я говорил ранее - те, которые атрофируются при шизофрении, они работают на подавление. Если мы отправим этот ген в эти клетки, и влияние гена на нее не изменит ее кардинально - а затем осветим всю систему клеток мозга, то включатся только эти клетки. Без света эти клетки вернутся в нормальное состояние, то есть они к этому вполне расположены. С помощью этого можно не только изучать клетки и их участие в работе мозга, но и понять, удастся ли вернуть активность этих клеток, если они были атрофированы.

Сейчас я расскажу вам о том, как мы используем это в научных, клинических и предклинических целях. Мы решили выяснить, какие сигналы в мозге передают ощущение поощрения. Потому что если найти их, то их можно использовать, чтобы мотивировать обучение. Мозг готов работать больше, если его поощряют. Эти сигналы передаются искаженно, например, при зависимостях. Поняв, какие клетки отвечают за эти сигналы, можно обнаружить новые отделы, чтобы лечить или блокировать их, или найти, куда подключить электроды при особенно тяжелых нарушениях. Чтобы это сделать, мы разработали простую схему в сотрудничестве с компанией Фиорелла груп. Если в одну половину этой коробки попадает крыса, она получает вспышку света, и часть клеток ее мозга становится чувствительной к свету. Если эти клетки отвечают за поощрение, крыса будет приходить туда снова и снова. Происходит следующее.

Животное идет в правую часть коробки и, едва сунув туда нос, каждый раз получает вспышку синего света. И оно будет делать это сотни раз. Это - дофаминовые нейроны, они находятся в так называемых центрах удовольствия. Как видно, легкой активации достаточно, чтобы мотивировать. Теперь обобщим эту мысль. Вместо одной точки в мозге можно создать приборы, охватывающие весь мозг и доставляющие свет в трехмерные системы - системы оптоволокна, каждая из которых подключена к отдельному источнику света. Затем можно реализовать в живом организме то, что прежде было возможно только в лаборатории - например, мощное сканирование всего мозга для поиска сигналов, отвечающих за что-то конкретное. Или это может помочь определить цель при лечении расстройств мозга.

Я хотел бы рассказать вам, как это поможет при посттравматическом стрессовом расстройстве - форме неконтролируемой тревоги и страха. Среди прочего мы адаптировали классическую модель тревоги, которая использовалась еще академиком Павловым. В данном случае это рефлекс страха, он вырабатывается через звук, за которым следует удар током. Удар не болезнен, но неприятен. Позже животное - мышь в данном случае, она прекрасно подходит для подобных экспериментов - учится бояться звука. Животное будет впадать в оцепенение, как олень, увидевший горящие фары. Теперь надо выяснить, какие области мозга позволят преодолеть этот страх? Для этого мы снова включаем звук - тот, что рефлекторно вызывает страх. Но мы активируем уже другие области мозга, используя оптоволокно с предыдущего слайда, чтобы определить, какие области мозга помогут мозгу забыть об этом страхе.

Это небольшое видео (кадр из видео на скриншоте выше) покажет работу той области, с которой мы работаем. Это - область в префронтальной коре, она отвечает за способность преодолевать неприятные эмоции. Животное слышит звук - в этот момент вспыхивает свет. Видео без звука, но вы видите, что животное замерло. Этот звук вызывает у него страх. В левом нижнем углу есть небольшие часы, по ним видно, что животное в оцепенении уже 2 минуты. Теперь можно увидеть, что происходит через 8 минут. Прозвучит тот же звук и снова будет вспышка света. Вы как раз ее сейчас видите. Теперь, через 10 минут после эксперимента, вы видите, как мы повлияли на область мозга с помощью света, чтобы убрать из памяти этот страх.

Последние пару лет мы исследовали линию эволюции жизни, чтобы выяснить, как отключать отдельные области мозга. Если научиться делать это, решится множество задач. Если можно удалять клетки за несколько миллисекунд или секунд, то можно выяснить их функцию в той области, где они находятся. Мы исследовали организмы на каждой ступени эволюции - каждое царство - кроме животных, которое исследовалось иначе.

И мы нашли виды молекул, называемые халородопсины или археродопсины, они реагируют на зеленый и желтый свет. Они работают наоборот, нежели молекулы, о которых говорилось выше, каналродопсины, активируемые синим светом.

Приведем пример, куда это может привести. Рассмотрим эпилепсию, при которой мозг гиперактивен. В то время как лекарства неэффективны, другой стратегией будет удалить часть мозга. Но это будет необратимо и повлечет побочные эффекты. Если бы мы могли просто отключить эту часть мозга на время, пока приступ не пройдет, и затем вернуть мозг в прежнее состояние - вроде динамической системы, которую возвращают в начальное состояние. Видео иллюстрирует эту концепцию (кадр из видео ниже), при которой мы заставляем клетки отключаться при вспышке света, пускаем луч света, чтобы, как мы надеемся, отключить клетки на время приступа эпилепсии. Мы пока не можем показать вам результаты, но мы многого от них ожидаем.

Теперь я расскажу еще об одной возможности, которая заключается в том, что эти молекулы при точном контроле могут быть использованы в мозге, чтобы создавать новый вид протезирования - оптическое. Я говорил, что электрические стимуляторы нередки. 75 000 людей с болезнью Паркинсона имеют такие имплантанты. Около 100 000 человек имеют улитковые имплантанты, позволяющие слышать. Проблема в том, что эти гены нужно доставлять в клетки мозга. В генной терапии появилась новая надежда - потому что вирусы наподобие адено-ассоциированных, которые есть, наверное, у большинства в этом зале, не дают никаких симптомов. И они использовались на сотнях пациентов, чтобы доставить гены в мозг или другие органы. Пока не было обнаружено никаких вредных последствий от этого вируса.

Есть еще одна очевидная проблема - сами белки, происходящие от водорослей плесени, и вообще отовсюду. У большинства в мозгу нет плесени и водорослей, так как мозг поведет себя, если мы их туда поместим? Будет ли мозг к ним толерантен? Отреагирует ли иммунная система? До сих пор не было проведено исследований на людях, но мы исследуем множество случаев, чтобы испытать этот метод. И пока что у нас не было серьезных реакций на эти молекулы или на освещение мозга светом. Если честно, это только начало, но мы ожидаем многого.

Я собирался рассказать еще об одной возможности для клинического использования. Существует несколько форм слепоты, при которых зрительные рецепторы, наши световые сенсоры на дне глаза, атрофируются.

А сетчатка имеет, разумеется, сложную структуру. Давайте рассмотрим ее ближе и в деталях.

Зрительные рецепторы находятся в самом верху, сигналы, принимаемые этими рецепторами, трансформируются множеством расчетов, пока нижний слой клеток - ганглиоциты - не передадут информацию в мозг, где мы ее и воспринимаем. При слепоте, в том числе при пигментной дистрофии сетчатки - или макулярной дегенерации - зрительные рецепторы атрофируются или разрушаются. Как это можно было бы решить? Даже не ясно, мог бы медикамент вылечить это, потому что его ни к чему нельзя привязать. С другой стороны, свет по-прежнему попадает через глаз. Глаз по-прежнему прозрачен и свет попадает внутрь. Поэтому можно взять эти каналродорфины и другие молекулы и установить их на других клетках, превратив их в маленькие видеокамеры. Поскольку в глазу очень много этих клеток, потенциально это камеры с очень высоким разрешением.

Этим мы и занимаемся. Этот проект ведет наш коллега, Алан Хорсагер из университета Южной Калифорнии, и его пытается сделать коммерческим компания Иос Ньюросаенс, основанная институтом здравоохранения. На видео мышь пытается выбраться из лабиринта (на скриншоте ниже кадр из видео).

В лабиринте шесть ходов. Также в нем налита вода, чтобы заставить мышь двигаться, иначе она бы просто сидела. Цель лабиринта - выбраться из воды на небольшую платформу за верхним коридором. Мышь сообразительна, поэтому в итоге находит выход, но она ищет его простым перебором. Она заплывает в каждый коридор, пока не достигает платформы. Она не использует для этого зрение. Эти мыши представляют разные мутации, которые отображают разные виды человеческой слепоты. Мы изучаем эти модели с осторожностью, чтобы суметь прийти к обобщению.

Как это сделать? Мы сделаем то, что было описано на предыдущем слайде. Мы возьмем сенсоры, реагирующие на синий свет, и установим их в слое клеток в центре сетчатки на задней стенке глаза и превратим их в камеры. Так же, как фотоэлементы распределялись по нейронам, чтобы сделать их светочувствительными. Свет превращается в них в электричество. Эта мышь была слепой за несколько недель до эксперимента и она получила дозу этих светочувствительных молекул с вирусом. Теперь вы видите, что зверек не натыкается на стены, выходит к платформе и снова может использовать зрение. Нужно подчеркнуть, что эти зверьки добирались до платформы так же быстро, как и те, которые всегда были зрячими. Эти преклинические исследования дают надежду на то, что можно воплотить в будущем.

В заключение я хотел бы отдельно заметить, что также исследуем новые бизнес-модели для нейротехнологии. Мы разрабатываем эти приборы, но мы бесплатно распространяем их по всему миру, так что люди могут работать с ними и пытаться лечить нарушения. Наша надежда в том, что, найдя отделы мозга в теории, что позволит нам лечить и модифицировать их, мы сможем устранить уже упомянутые расстройства мозга, которые не поддаются лечению, и в 21 веке оставить их в прошлом.

Спасибо.


Вопросы от Хуана Энрикеса:

Хуан Энрикес: Кое-что было немного непонятно. Но умозаключения о возможности контроля над приступами эпилепсии с помощью света вместо лекарств и о возможности целенаправленно лечить только их это первый шаг. Второе, что я понял из вашей речи, было то, что мозгом можно управлять наподобие электричества. Через включение и выключение.

Эд Бойден: Верно.

ХЭ: То есть все импульсы в мозге становятся бинарным кодом.

ЭБ: Да, верно. Синим светом можно направлять информацию, он аналогичен фазе. А выключение клеток аналогично нулю. То есть мы надеемся создать мозговые компрессоры, которые будут работать с мозгом, и мы сможем вернуть утраченные функции мозга с нарушениями.

ХЭ: И в теории это означает, что то, как мышь чувствует, нюхает, слышит, вы можете представить в виде ряда единиц и нулей.

ЭБ: Конечно. Мы надеемся использовать это как способ проверки, какие нейронные коды могут направлять поведение, мысли и определенные чувства и использовать это, чтобы лучше изучить мозг.

ХЭ: Значит ли это, что когда-нибудь вы сможете скопировать воспоминания или, возможно, записать в мозг новые?

ЭБ: Над этим мы начали интенсивно работать. Сейчас мы пытаемся научиться помещать в мозг записывающие устройства. То есть мы можем сохранять информацию из мозга и отправлять ее обратно - определяя потребности мозга, чтобы усовершенствовать его способность обрабатывать информацию.

ХЭ: Что же, это могло бы кое-что изменить. Спасибо.

ЭБ: Спасибо.

Видео на Ted:



Видео на YouTube: