Нанотехнологии и интересные разработки
Российские ученые сделали мозг «прозрачным»
Российские ученые разработали методы, которые позволяют в «прямом эфире» наблюдать, как работают клетки головного мозга в процессе обучения и запоминания новой информации. Об этом рассказал на конференции «Кикоинские чтения» в Курчатовском институте заведующий отделом системогенеза НИИ нормальной физиологии РАМН Константин Анохин.
«Нейронаука за последние 20 лет достигла огромных успехов», – сказал Анохин, говоря об исследовании биологических основ сознания.
По его словам, продвижение в этой сфере стало возможно благодаря соединению методов физики, молекулярной биологии и нейрологии.
Ускоренные повторы
Анохин напомнил, что в головном мозге человека находится 70 миллиардов нейронов – столько же, сколько звезд в нашей Галактике, а количество связей между ними достигает 60 триллионов. Однако за последние годы исследователи начали понимать, как «выглядят» многие процессы в мозге.
Ученый рассказал об эксперименте с фиксацией электрических импульсов в мозге мыши, которую обучали проходить лабиринт в поисках пищи. Исследователи выяснили, каким образом в процессе обучения формируется нейронная сеть – как становятся активными те или иные группы клеток.
Как оказалось, в состоянии покоя мозг животного в ускоренном режиме проигрывает заново те последовательности активизации нейронов, которые наблюдались, когда мышь действовала.
«В сжатом виде проигрывается все прошлое поведение животного. Это происходит только тогда, когда она учится», – пояснил Анохин.
«Мы знаем теперь, что такие вспышки с воспоминанием прошлого происходят во время сна. Сновидения становятся способом проигрывания прошлого индивидуального опыта. Кроме того, мы знаем, что животные используют это для проигрывания ситуаций выбора», – добавил ученый.
Клеточное разрешение
В настоящее время нейронаука имеет достаточно мощный теоретический инструмент, который позволяет интерпретировать экспериментальные данные – это теория функциональных систем.
Согласно данной теории, говорит Анохин, все действия, в частности, процессы припоминания, обучения сопровождаются формированием распределенных сетей нейронов, которые синхронизируются друг с другом за счет одновременного возбуждения. Такие сети формируются в процессе обучения и приобретения опыта, они могут модифицироваться, распадаться по мере запоминания и забывания.
Однако исследование столь сложных систем в бодрствующем мозге во время когнитивных операций, требует, по словам Анохина, выполнения нескольких условий.
В частности, ученым необходим способ наблюдения за отдельными нейронами. Существующие методы фиксации электрической активности мозга позволяют различать активизацию областей, в которых содержатся десятки и сотни клеток, единичный нейрон они «увидеть» не могут.
«В нашем мозге существует около миллиона нейронов, расположенных в височной доле, которые избирательно активируются в ответ на образ нашего премьер-министра. Приблизительно столько же – на президента, столько же может активироваться в ответ на образы Евстигнеева, Гурченко, зайца из "Ну погоди!» или Эйфелевой башни. При этом соседние клетки могут быть связаны с совершенно разными процессами. Единственный способ понять, что происходит – клеточное разрешение", – сказал Анохин.
Кроме того, исследователям нужно видеть мозг в целом, и это должен быть живой, действующий мозг.
«Такие системы – динамические системы, складывающиеся в момент самого когнитивного процесса – действия, мышления – и распадающиеся потом. Поэтому исследовать их можно только у бодрствующих организмов в процессе поведения, когнитивной деятельности», – сказал Анохин.
Оптика заглядывает в мозг
По словам ученого, выполнить все эти условия поможет соединение методов оптики, генетики и нейрологии – нейрооптогенетика.
Анохин рассказал, что нервные импульсы не только вызывают изменения электрического потенциала на мембране нервных клеток, но и вовлекают в работу ядро клетки, активизируя определенные гены.
«В момент переживания любого нового опыта в значительной части клеток мозга активируются определенные гены. Это не просто совпадающие события: блокада работы (этих) генов приводит к нарушению долговременной памяти», – сказал Анохин.
Он напомнил, что в биологии широко используется метод флюоресцентных меток, белков, которые могут светиться при облучении светом определенной длины волны. Биологи научились прикреплять ген, производящий флюоресцентные белки, к целевым генам, состояние которых надо отследить, а затем наблюдать, как этот ген проявляется в организме.
«Мы можем сделать такой репортерный конструкт: соединить один из генов, участвующих в обучении, с таким флюорсцентным белком, вживить этот конструкт, и сделать трансгенное животное. И тогда под флюоресцентным микроскопом мы можем увидеть клетки, в которых работает интересующий нас ген. Мы можем это видеть в момент обучения», – сказал Анохин.
Для этого понадобилось сделать мозг в буквальном смысле слова прозрачным – мозг мыши помещали в препарат, имеющий тот же коэффициент преломления, как клеточная мембрана и некоторые белки, что делает мозг почти или полностью прозрачным.
Кроме того, необходимо было получить данные о точной локализации активных нейронов. Для этого мозг просвечивался очень узким лазерным лучом, возбуждающим флюоресценцию в очень тонкой плоскости (около 6–10 микрон).
«Мы можем видеть виртуальные срезы и, двигая препарат в вертикальной плоскости, мы можем получить трехмерную реконструкцию. Это позволило впервые увидеть работу огромной популяции клеток в целом мозге», – сказал Анохин.
Мозг в «прямом эфире»
Единственный недостаток описанного метода заключается в том, что наблюдается статическая картина, сказал Анонхин. Однако, добавил ученый, сейчас он и его коллеги разработали метод наблюдений живого мозга.
Для этого в черепной коробке делается специальное отверстие, куда через световод подводится луч лазера, вызывающий флюоресценцию.
«Суть этих подходов заключается в том, что, используя волокно, мы можем видеть прижизненно в мозге животного изменения флюоресценции», – сказал Анохин.
По его мнению, развитие подобных методов в ближайшем будущем может привести к крупным прорывам в исследовании мозга.
«В ближайшие годы мы можем ожидать крупных событий на этом фронте», – заключил ученый.