Вікіпедія мозку» проти недоумства, психічних захворювань та мозкових «катастроф»
Професор Володимир Лазаревич Зельман, іноземний член РАМН і РАН, один із піонерів нейроанестезіології, член Міжнародної академічної ради Новосибірського державного університету, випускник Новосибірського медичного інституту, сьогодні входить до трійки найкращих американських анестезіологів.
Університет Південної Каліфорнії (Лос-Анджелес, США), у якому В.Л. Зельман керує кафедрою анестезіології та реаніматології, є в США одним із лідерів у галузі нейронаук, беручи участь у низці найбільших проектів з вивчення мозку, таких як ENIGMA. У своїй лекції в НДМУ та в інтерв'ю «НАУЦІ з перших рук» професор Зельман розповів про найцікавіші результати, отримані співробітниками університету у партнерстві з колегами з інших організацій в одній із найгарячіших точок на стику сучасної біології та медицини. Серед них – генетична база даних мозку, що розвивається, яка дозволить оцінювати генетичні ризики виникнення захворювань; карта розміщення в мозку всіх нейронів і з'єднує їх «проводки»; нейрокомп'ютерні технології, що дозволяють «силою думки» керувати біонічними протезами
За останні 25 років наука про мозок просунулась більше, ніж за всю історію його вивчення Професор Володимир Зельман
Для початку – трохи статистики: на думку експертів, до 2050 р. у світі кількість людей, які страждають на деменцію – набуту недоумство, може зрости майже втричі і досягти 132 млн. Найбільш поширена форма деменції пов'язана з хворобою Альцгеймера, нейродегенеративним захворюванням, що розвивається переважно у літньому віці. І відстрочка початку хвороби лише на 5 років (з 76 років до 81 року) дозволитьзменшити кількість хворих удвічі!
І це лише один промовистий приклад значущості нейронаук, які займаються вивченням мозку – фізичної основи нашої свідомості, підсвідомості та розумової діяльності, одного із найскладніших та найзагадковіших органів людського організму. Механізми функціонування мозку до кінця не з'ясовані, хоча за останню чверть століття завдяки появі нових дослідницьких технологій, таких як магнітно-резонансна томографія, електроенцефалографія та ін, про біологію здорового та хворого мозку стало відомо більше, ніж за всю попередню історію його вивчення. За останні десять років з'ясувалося, що в центральній і периферичній нервовій системі тією чи іншою мірою експресується принаймні 80% відомих на сьогодні генів.
Вкладення в нейронауки оцінюються сьогодні у мільярди доларів. Так, в останнє десятиліття XX ст., оголошене «декадою мозку», Конгрес США виділив на дослідження у цій галузі близько 3 млрд доларів. Для порівняння: на дослідження геному людини в цей час було виділено близько 3,7 млрд доларів; символічно, що ці найважливіших наукових проекту йшли паралельно.
Університет Південної Каліфорнії, де працює професор В.Л. Зельман, останніми роками займає лідируючі позиції у дослідженнях мозку у США, а й у світі, завдяки використанню унікального мультидисциплінарного підходу, що дозволяє спільно вирішувати загадки захворювань мозку способами, недоступними для ізольовано працюючих лабораторій.
Університет Південної Каліфорнії став ініціатором глобального проекту вивчення мозку ENIGMA, який очолює професор університету П. Томпсон та фінансує Національний інститут здоров'я США. У цьому найбільшому міжнародному проекті сьогодні працює близько 200математиків, генетиків, нейробіологів та медиків з більш ніж 35 країн світу, у тому числі Укаїни (з Новосибірського державного університету, низки інститутів СО РАН, Інституту нейрохірургії ім. М.М. Бурденко, Інституту проблем передачі інформації ім. А.А. .Харкевича та ін.). В рамках проекту ведуться дослідження структур і функцій мозку і схильності до таких хвороб, як шизофренія, хвороба Альцгеймера, депресія, наркозалежність та ін. , харчові звички та, звичайно ж, спадковість. Наприклад, нещодавно було відкрито ген, що у розвитку ожиріння через порушення у роботі мозкових структур.
У людському мозку знаходиться близько 100 млрд спеціалізованих нервових клітин-нейронів, кожен з яких має близько 10 тис. синапсів, що служать для передачі нервового імпульсу між клітинами. Різні ділянки нашого мозку, що відповідають за мислення, сприйняття та відчуття, з'єднані нервовими волокнами загальною довжиною 100 тис. миль (161 тис. км).
Найважливішою частиною проекту ENIGMA є Connectome – проект із вивчення провідної системи мозку. Саме поняття «коннектом» було запроваджено за аналогією з поняттям «геном» для повного опису структури зв'язків у нервовій системі. У ході проекту Connectome буде створено чотиривимірну (четверте вимір – час) карту розміщення в мозку всіх нейронів і з'єднує їх «проводки», що описує всі 100 трлн можливих взаємодій між клітинами. Цей проект, де в єдиній карті будуть об'єднані всі результати візуалізації мозку, можна повним правом назвати «Вікіпедією мозку». В результаті стане можливим встановити мінливість та генетичну зумовленістьнейронів, простежити їх взаємодії у реальному масштабі часу, а також виявити наявність нейронних патологій.
Як і будь-які клітини, кожен тип нейронів використовує певний набір генів для створення своєї молекулярної машинерії; послідовно взаємодіючі нейрони утворюють звані нейронні ланцюга (найпростіший приклад – рефлекторна дуга). Розуміння всіх нюансів роботи нейронних ланцюгів має допомогти й у розумінні патогенезу хвороб мозку, що зробить їх діагностику ефективнішою. Адже тоді можна буде розпізнавати патологічні процеси не тільки на основі симптомів, але вести пошук захворювань буквально на рівні окремих синапсів.
На сьогодні описано близько півтора десятка різновидів психічних захворювань. Не виключено, що в найближче десятиліття, коли стане відомо, на якому етапі і в якому місці включаються-вимикаються гени, які перенаправляють синаптичну активність у «неправильному» напрямку, кількість цих хвороб зросте на один-два порядки. Лікування стане більш персоналізованим, а в разі ранньої діагностики можна буде проводити корекцію таких «неправильних» процесів з повною реабілітацією пацієнта.
У рамках проекту ENIGMA вже зібрано величезний масив генетичних даних та даних із візуалізації мозку – близько 50 тис. візуалізацій мозку у 33 тис. людей із понад трьох десятків країн світу! Зібрати такий матеріал сьогодні не так вже й важко, але щоб дешифрувати та інтерпретувати ці величезні інформаційні потоки, потрібні суперкомп'ютери та біоінформатики – фахівці у роботі з «великими» даними. Сучасній науці такі завдання вже принципово під силу, тому не виключено, що в недалекому майбутньому кожен з нас стане володарем «флешки», на якій буде записано розшифровку.не лише нашого геному, а й самої нашої особистості.
Вже сьогодні дослідження провідної системи мозку дають надію полегшити життя хворим із серйозними мозковими ушкодженнями, отриманими внаслідок травми. Йдеться про нейрокомп'ютерну технологію (так званий інтерфейс «мозок-комп'ютер»), яка дозволяє паралізованій людині керувати «силою думки» біонічними протезами, наприклад, механічною рукою.
Одна з проблем подібних нейрокомп'ютерних технологій полягає у виборі сигналів мозку, які потрібно використовуватиме управління біонічними протезами. На думку ряду дослідників, потрібно зчитувати активність нервових клітин моторної кори головного мозку, що безпосередньо відповідає за рухи, - у цьому випадку зворотні зв'язки формуються на рівні власне дії. Але є й інший підхід, при якому перевага надається не самому дії, а наміру його зробити! Ідея встановлення чіпів в область серединної кори, що бере участь у плануванні дій, належить колезі Зельмана - професору Андерсону з Каліфорнійського технологічного інституту.
В.Л. Зельман: «Річард Андерсон протягом останніх 25 років досліджував мозок у пошуках кластерів нейронів, активність яких можна використовувати для управління рухами штучної кінцівки. Він був упевнений, що для цього не потрібна інформація про рух, адже кожне з них забезпечується в коннектомі сотнею тисяч нейронних зв'язків, які важко відстежити. У цьому сенсі набагато перспективніший самий намір робити ту чи іншу дію, і Андерсон зрештою виявив у задній черепній ямці, поруч із зоровими аналізаторами, область, де воно формується».
І справді, в інших п'яти хворих, яким чіп був вживлений в область моторноїкори, координація виявилася значно гіршою, вони частіше промахувалися, здійснюючи рух, наприклад, коли брали банку із соком. Але ще велика проблема полягає в тому, що поки що всі такі біонічні кінцівки використовуються лише в рамках експериментів, які рано чи пізно закінчуються. Чіпи, вживлені в мозок, сприймаються останнім як стороннє тіло і зрештою інкапсулюються і втрачають зв'язок з нейронами. Проте суть цих робіт у тому, що вони показують принципову можливість полегшити життя повністю паралізованих пацієнтів за допомогою інтерфейсу «мозок-комп'ютер».
Цей хворий із чіпом, вживленим у мозок, може керувати штучною рукою. З її допомогою він може брати не тільки м'ячик чи банку з кока-колою, а й такі тендітні предмети, як яйце. При цьому мозок хворого може контролювати навіть тиск, який штучна рука чинить на предмет. З її допомогою хворий, який вимагав безперервного обслуговування протягом доби, може навіть навчитися сам голитися!
…Повертаючись до хвороби Альцгеймера, нагадаємо, що мозок здорових людей втрачає на рік менше ніж 1% своєї ваги, причому ця втрата компенсується завдяки регенерації тканини під впливом розумової активності. Симптоми хвороби Альцгеймера починають проявлятися при втраті 10% тканини мозку, і в звичайних умовах це незворотний процес. Однак до цього часу вчені виявили вже 9 генів, здатних прискорювати і сповільнювати розвиток цієї хвороби, у тому числі Apoe4, який є провідним фактором ризику для цієї найбільш поширеної форми старечого недоумства (вже зараз на тваринах випробовуються речовини, здатні трансформувати кодований цим геном «агресивний». » білок ApoE4 у безпечнішу ізоформу).
Більше того: вже сьогодні вченіУніверситету Південної Каліфорнії разом зі своїми колегами з Університету Уейк Форест (Північна Кароліна) ведуть роботи із «запису» інформації, що зберігається в мозку, завдяки якій мозок людини, яка страждає на хворобу Альцгеймера, можна буде «перезавантажити», повернувши, хоча б тимчасово, втрачені враження . Цей фантастичний результат, що здається навіть сьогодні, – лише наочне свідчення успіхів, яких сучасна наука досягла у вивченні мозку, органу, який протягом століть вважався придатним виконувати лише функцію охолодження крові!
Підготували Лариса Овчиннікова та Маша Перепечаєва