€ 72.24
$ 64.45
Алан Джонс: Карта мозга

Лекции

Саморазвитие 130 Лидерство 53 Будущее 0 Свой бизнес 35 Образ жизни 15 Экономика 69 История 6

Алан Джонс: Карта мозга

Как нам начать понимать, как работает мозг? Так же, как мы начинаем понимать город — составляя карту. В этой визуально сногсшибательной беседе Алан Джонс показывает, как его команда составляет схему генов каждого крошечного участка мозга, и как они все взаимосвязаны

Алан Джонс
Будущее

Люди были давно очарованы человеческим мозгом. Мы составляли его схемы, описывали его, мы рисовали его, мы составляли его карты. А сейчас, как и физические карты нашего мира, на которые оказали серьезное влияние технологии — вспомните Google Maps, вспомните GPS — то же самое происходит и с картографированием мозга, оно трансформируется.

Давайте взглянем на мозг. Большинство людей, когда впервые смотрят на свежий человеческий мозг, говорят: «Он не похож на мозг, который обычно показывают». Обычно вам показывают затвердевший мозг. Он серый. А этот внешний слой, эта удивительная сеть сосудов расположена вокруг мозга. Это кровеносные сосуды. 20% кислорода, который поступает из ваших легких, 20% крови, которую качает ваше сердце, обслуживает этот один единственный орган. Если поставить рядом два кулака, он будем лишь немного больше.

Ученые конца ХХ-го века научились отслеживать поток крови, чтобы без хирургического вмешательства составлять карту активности головного мозга. К примеру, они могут увидеть заднюю часть мозга, которая только что была к нам повернута. Это мозжечок, который поддерживает вас в вертикальном положении. Он позволяет мне стоять. Он участвует в координации движений. А с этой стороны — это височная кора. В этой области происходит основная обработка звука — таким образом вы слышите мои слова, а потом отсылаете для обработки в высшие языковые центры. Передняя часть мозга — это область, в которой происходят сложные мысленные процессы, принимаются решения — эта область развивается последней в зрелом возрасте. Здесь происходят все ваши процессы принятия решения. Это то место, в котором вы сейчас принимаете решение о том, что вы, вероятно, не станете заказывать стейк на обед.

Если вы внимательнее посмотрите на могз в поперечном разрезе, то сможете заметить, что в нем не заметно какой-то особой структуры. Но на самом деле ее там очень много. Это клетки, а это провода, которые все связывают вместе. Примерно 100 лет назад ученые изобрели краситель, который способен окрашивать клетки. Вот он, светло-голубого цвета. Видны области, в которых обычные клетки тела были окрашены. То, что вы видите — очень неоднородно. Видна сложная структура. Внешняя часть мозга — это неокортекс. Это единый постоянно работающий вычислительный центр. Но также видны и другие, более глубокие участки. Все эти пустые участки — это области, по которым проходят соединительные волокна. Их плотность не так велика, как у клеток. В мозгу 86 млрд нейронов. Как видно, они распределены весьма неоднородно. И то, как они распределены, на самом деле влияет на функции, которые они выполняют. И конечно же, как я отметил ранее, поскольку мы сейчас можем начать составлять карту функций мозга, мы можем связать их с отдельными клетками.

Давайте взглянем внимательнее. Рассмотрим нейрон. Как я уже говорил, в мозгу насчитывается 86 млрд нейронов. Как видите, существуют эти меньшие клетки. Это вспомогательные клетки — астроглиоциты. А сами нервы непосредственно принимают входящую информацию. Они ее хранят, обрабатывают. Каждый нейрон имеет до 10 000 связей с другими нейронами мозга. И каждый нейрон в отдельности во многом уникален. Уникальные характеристики двух отдельных нейронов и набора нейронов мозга управляются фундаментальными свойствами лежащей в их основе биохимии. Это белок. Эти белки управляют такими процессами, как движение по ионным каналам. Они управляют взаимодействиями клеток нервной системы. И они управляют практически всем, с чем имеет дело нервная система.

Если же мы увеличим картинку и посмотрим на еще более глубокие слои, все эти белки закодированы нашими генами. У каждого из нас есть 23 пары хромосом. Мы получаем одну от мамы и одну от папы. У этих хромосом примерно 25 000 генов. Они закодированы в ДНК. Особенность конкретной клетки определяется ее биохимией, она определяется тем, какие из 25 000 генов включены, и на каком уровне они включены.

Итак, наш проект пытается взглянуть на эти данные и понять, какой из этих 25 000 генов включен. Чтобы осуществить такой проект, нам определенно нужны мозги. Мы отпустили наших лаборантов. Мы искали обычные человеческие мозги. Мы начали с офиса судмедэксперта. Сюда привозят мертвецов. Мы искали нормальные человеческие мозги. Было очень много критериев для отбора мозгов. Мы хотели быть уверенными, что у нас будут нормальные человеческие мозги в возрасте от 20 до 60 лет, которые умерли по естественной причине без травм мозга, без психиатрических заболеваний, без наркотиков — мы делали токсикологическое исследование. И мы были очень осторожны в отношении тех мозгов, которые брали. Мы также отбирали мозги, с которых мы могли взять пробы тканей, для нас было важно взять образцы в течении 24 часов после смерти. Потому что мы пытаемся измерять РНК, считанный с наших генов — он очень хрупкий, так что нам надо было очень быстро работать.

Одна деталь о сборе мозгов: из-за способа, которым мы их собирали, и из-за того, что нам требовалось согласие на сбор, мы собрали намного больше мужских мозгов, чем женских. Мужчины более склонны к смерти от несчастного случая в расцвете сил. Мужчины также чаще имеют близких людей, жен, которые могут дать разрешение, чем женщины.

Первое что мы делали — собирали так называемые МР-данные. Это магнитно-резонансные изображения – МРИ. Это стандартный шаблон, по которому мы обрабатывали остальную часть данных. Итак, мы получали МР-данные. Это можно себе представить как спутниковый снимок нашей карты. Далее мы получали так называемые дифузионно-тензорные изображения. Это давало нам карту больших соединений мозга. Это можно себе представить как нанесение на карту международных магистралей. Мозг извлекался из черепа, а потом нарезался на ломтики толщиной в сантиметр. Потом они замораживались и транспортировались в Сиэтл. А в Сиэтле мы брали вот это — это полное человеческое полушарие — и клали их в устройство, похожее на всем известную ломтерезку для мяса. Эти лезвия разрезают участок ткани и переносят на предметное стекло микроскопа. Далее мы применяем один из этих красителей и сканируем его. После построения первой карты мы получили вот это.

Здесь в игру вступают эксперты, они делают базовую анатомическую привязку. Это себе можно представить как границы штатов, эти широкие контуры. Далее мы могли разделить мозг на более мелкие части, которые потом помещались в меньший криостат. Вот он тут показан — это замороженная ткань, а это разрезанная. Она толщиной 20 микрон, в толщину детского волоса. И вы же помните, что она заморожена. Вы можете видеть, здесь применяется старинная технология кисточки. Мы берем предметное стекло микроскопа. Потом мы аккуратно расплавляем его на стекле. Далее оно поступает к роботу, который наносит один из красителей. Далее наши анатомы подвергают его более внимательному изучению.

Вот что они увидели под микроскопом. Вы видите наборы и структуры маленьких и больших клеток в скоплениях и разных местах. А дальше начинается рутина. Они знают, к чему делать привязку. И они делают что-то наподобие справочного указателя. Это более детальная карта.

Наши ученые затем используют ее, чтобы перейти к следующему кусочку ткани и проделать так называемую лазерную сканирующую микрохирургию. Технические специалисты принимают указания. Они прочерчивают вдоль стекла. А потом лазер просто режет. Здесь видно, как синяя точка режет. И ткань отпадает. На предметном стекле микроскопа видно, как это происходит в реальном времени. Внизу стоит контейнер для сбора ткани. Мы берем эту ткань, выделяем из нее РНК, используя некоторые не сложные технологии, а далее помечаем флюоресцентным маркером. Далее мы берем этот отмеченный материал и кладем на микропанель.

Это может вам показаться просто набором точек, но каждая из этих точек — это уникальный кусочек человеческого генома, который мы отметили на стекле. Здесь около 60 000 элементов, так что мы постоянно изменяем разные гены, 25 000 генов в геноме. Когда мы берем образец и скрещиваем его, мы получаем уникальный отпечаток, гарантировано показывающий, какие гены включены в конкретном образце.

Это мы делаем снова и снова для обработки каждого мозга. Мы берем тысячи образцов для каждого мозга. Показанная область называется гипокампом. Она задействована в обучении и памяти. Из нее взято около 70 образцов из этой тысячи. Каждый образец дает примерно 50 000 точек данных с постоянным измерением тысяч образцов, так что у нас примерно 50 миллионов точек данных для каждого человеческого мозга.

Пока что мы получили данные из двух мозгов. Мы их собрали вместе, и я покажу, как выглядит этот синтез. По сути это большой набор информации, которая доступна любому ученому на планете. Им даже не надо регистрироваться, чтобы использовать эти инструменты, получить эти данные, находить интересные вещи в этом. Это модели, которые мы собрали вместе. Вы узнаете отдельные вещи, которые мы собрали раньше. Это МР. Он служит каркасом. Справа расположено место оператора, которое позволяет поворачивать, увеличивать, выделять отдельные структуры.

Но самое важное — мы сейчас занимаемся составлением карты на основе этого анатомического шаблона, это обычный шаблон, с помощью которого люди могут понять, где гены включены. Красные уровни — это места, где гены в большей степени включены. Зеленые области как бы более холодные, где они не включены. Каждый ген дает нам отпечаток. И помните, мы исследовали все 25 000 генов в геноме, и все данные об этом доступны.

Что же ученые смогут узнать из этих данных? Мы сами только начали изучать эти данные. Есть несколько основных вещей, которые хотелось бы понять. Два замечательных примера — это лекарства Прозак и Вельбутрин. Это часто выписываемые антидепрессанты. Но помните, мы изучаем гены. Гены посылают указания для выработки белков. Белки — это цель медикаментов. Лекарство проникает в белки и выключает их. Если вы хотите понять действие лекарств, вам надо понять, каким образом они производят определенные действия, как желаемые вами, так и нежелательные. С точки зрения профиля эффектов вам нужно видеть, активны ли эти гены. И вот впервые мы на самом деле можем это сделать. Мы можем это сделать у нескольких личностей, которых мы исследовали.

Теперь мы можем заглянуть в мозг. Мы можем увидеть этот уникальный отпечаток. И мы получаем подтверждение. Мы и в самом деле получаем подтверждение того, что гены включены для лекарств типа Прозак в серотониновых структурах, это действие уже было известно, но нам удалось увидеть полную картину. Нам также удалось увидеть области, на которые никто раньше не смотрел, и мы увидели включенные там гены. Это самый интересный побочный эффект. Еще одна вещь, которую можно сделать — потому что существуют шаблоны, потому что отпечатки уникальны, – мы можем просматривать весь геном и находить другие белки, которые имеют похожие отпечатки. Если, к примеру, вы занимаетесь изобретением лекарств, вы можете пройтись по списку вариантов генома, чтобы найти лучшую цель для лекарства или оптимизировать его.

Большинству из вас, вероятно, знакомы изучения генома, когда в новостях объявляют: «Ученые недавно обраружили ген или гены, которые действуют на Х». Исследования, подобные этому, регулярно публикуются учеными, и они замечательны. Они анализируют большие объемы. Они просматривают целые геномы и пытаются найти очаги активности, которые относятся к генам. Но мы получаем всего лишь список генов. Они могут ответить на вопрос «что», но не скажут вам «где». Так что для этих исследователей очень важно, что мы создали этот ресурс. Теперь они могут прийти и начать получать информацию об активности. Они могут начать просматривать стандартные направления, исследовать другие пути, которые они раньше просто не могли исследовать.

Я думаю, что по крайней мере эта публика может оценить важность индивидуальности. И я думаю, что каждый человекю. У всех нас разный генетический фон, все мы живем отдельными жизнями, но фактически наш геном более чем на 99% одинаков. На генетическом уровне мы одинаковы. Мы обнаруживаем даже на биохимическом уровне мозга, что мы все похожи. В данном случае похожи не на 99%, но где-то около 90% совпадений про умеренном усреднении, так что все в этом облаке связано. Тогда мы находим несовпадения, некоторые вещи находятся вне облака. И эти гены интересны, они очень незаметны. Так что я думаю, важным сообщением, которые вы сегодня унесете домой, будет то, что не смотря на то, что мы радуемся нашим отличиям, мы все же очень похожи даже на уровне мозга.

Как же выглядят эти отличия? Это пример исследования, которое мы провели, чтобы проследить и понять как же выглядят эти отличия, и они весьма незначительны. Вот здесь включены гены клеток отдельного типа. Мы нашли два гена, которые послужат замечательным примером. Один из них называется RELN — он участвует на ранних стадиях развития сигналов. DISC1 — это ген, который отсутствует при шизофрении. Он не делает личность шизофренической, но они показывают некоторые колебания в населении. Так что то, что вы тут видите у донора один и донора четыре, которые отличаются от остальных двух, — это включенные гены в весьма определенном наборе клеток. Вот этот темно фиолетовый осадок в клетках, который показывает нам, что ген включен. Зависит ли то, включен он или нет, от индивидуального генетического фона или от жизненного опыта, мы не знаем. Такие исследования потребуют значительно большего количества людей.

Так что я оставлю вас с последней заметкой о сложности мозга и о том, как далеко нам еще предстоит продвинутся. Я считаю, что эти ресурсы чрезвычайно важны. Они позволяют исследователям определять, куда двигатся. Но мы пока что смотрим всего лишь на горсть людей. Нам определенно необходимо больше. В завершение скажу, что инструменты есть, и это действительно неизведанный, неоткрытый контитент. Это новая граница, если позволите. И тех, кто бесстрашен, но смирился со сложностью мозга, будущее ждет.

Перевод: Игорь Муравский
Редактор: Екатерина Беляева

Источник

Свежие материалы