Hi-Tech

Вылечить болезнь Альцгеймера, Хаттингтона и Пика: истории шести учёных, которые исследуют человеческий мозг

Конспект статьи издания Popular Mechanics — о том, как в Сиэтле составляют атлас мозга, а в Нью-Йорке распутывают белковые клубки.

В закладки

Поделиться

Тамара Каспер в лаборатории

Настоящее

Гарднер с детства любил технику, долгие годы работал на стройках. В 1984 году Эл Гарднер и его шурин своими руками построили двухэтажный дом с тремя спальнями и верандой.

Он истощал, его лицо осунулось, речь стала непонятной. Теперь Эл с трудом поднимается на второй этаж, потому живёт на первом. С таким диагнозом живут около семи лет. Шесть лет назад у Эла обнаружили прогрессирующий супрануклеарный парез взора (ПСПВ) — клетки в отделах его мозга, отвечающих за движение, равновесие и мышление, постепенно разрушаются.

Кроме аспирина, антацидов и таблеток для контроля мочевого пузыря он ничего не принимает. Причины развития ПСВП до сих пор точно неизвестны, как не известны и методы его лечения — препараты, облегчающие симптомы болезни Паркинсона, в случае Эла не работают.

Но общаться он ещё может — с помощью белой доски с маркерами. Со временем Эл потерял способность моргать и двигать глазами, и ему приходится постоянно носить солнцезащитные очки.

«Повезло, что у нас было всё это время, — признаётся она корреспонденту на втором этаже, откуда Эл её не услышит. Жена Эла, Фрэн, активно участвует в жизни сообщества больных ПСВП. — Могло быть гораздо хуже».

Вашингтон, округ Колумбия

Магдалена Гётц

Каждый год в США проходит конференция Американского общества нейронаук, на которую съезжается более 30 тысяч профессоров, докторов, аспирантов и исследователей из более чем 80 стран, чтобы обсудить будущее человеческого мозга.

Она будет рассказывать о лечении травм мозга у мышей. Среди приглашённых лекторов — нейробиолог из Мюнхенского университета Магдалена Гётц.

Клетки мозга, ответственные за обработку информации, погибают (за некоторым исключением). Механизм возникновения болезней, подобных ПСВП, сводится к одному — нейроны не восстанавливаются.

Если бы учёные смогли вынудить нейроны самопроизвольно срастаться, это стало бы одним из самых невероятных достижений нейронауки. Поэтому сегодня у врача, столкнувшегося с нейродегенеративным расстройством, выбор невелик: или постараться сохранить как можно больше нейронов, или заставить работать повреждённые секторы. Пока же такое невозможно.

Она работает с другой группой клеток — нейроглией. Гётц, однако, не изучает нейроны, по крайней мере, не в первую очередь. На глию, от греческого «клей», приходится минимум половина клеток мозга, но в течение пятидесяти лет учёные считали, что она служит лишь каркасом для нейронов.

С тех пор учёные пытаются выяснить, на что ещё они способны. Тем не менее в 1990 году стэнфордский исследователь Стивен Смит обнаружил: особый тип глии, клетки в форме звезды, названные астроцитами, могут общаться между собой. Список растёт.

Астроцит

Они могут как поразить ещё больше нейронов, так и поддерживать их жизнь, регулировать соединение нейронных сетей после их разрыва или образовать шрам. «При травме мозга в дело вступают астроциты», — рассказывает Гётц. Астроциты играют важную роль в жизнедеятельности, после повреждений мозга главный врач — именно они.

Вместо формирования рубцовой ткани астроциты Гётц превращаются в новые нейроны, заменяющие утраченные. Гётц и её команде в Мюнхене удалось с помощью определённых белков, факторов транскрипции, полностью изменить функции астроцитов после травмы.

Через год после выступления в Вашингтоне, она опубликовала совместную обзорную статью с врачом, который занимается больными с Паркинсоном, и работает над оральными способами доставки белков в мозг, вместо того чтобы вводить их напрямую. Учёной удалось проделать подобное с человеческими клетками в пробирке и с живой крысой.

— Первые успешные эксперименты с живыми животными мы провели в 2005 году, и тогда это считалось чем-то совершенно невероятным. «Прогнозы относительно того, через сколько лет технология будет применима в лечении человека, совершенно сбивают с толку, — отмечает Гётц. Лишь спустя 15 лет мы добрались до уровня, когда нами заинтересовались лечащие врачи».

Сиэтл, Вашингтон

Исследователи Алленовского института делят полученный образец мозговой ткани

На столе — девушка 23 лет. В операционной медицинского центра Харборвью работает Джеффри Ожманн, потомственный нейрохирург. Хирург не хочет случайно удалить невосстановимую группу нейронов на пути к эпилептическому очагу, который вызывал приступы. Она, вероятнее всего, в сознании: Ожманн часто будит пациентов в этой части операции и воздействует током на мозг, пока они называют объекты на картинках.

Постепенно он заходит глубже, подбираясь к очагу — Ожманн постарается удалить как можно меньше. Ожманн делает надрез в височной доле, над ухом, избегая элоквентных зон — частей мозма, отвечающих за движение, слух, зрение и речь.

Тут выходит медсестра и отдаёт ей банку с чем-то огненно-красным внутри. Всё это время за дверьми операционной ждёт научный сотрудник Тамара Каспер. Это ткань мозга, которую Ожманну пришлось удалить, чтобы добраться до очага.

Там частички мозга, присланные Каспер, станут постоянной частью первой в мире карты нейронов человеческого мозга. Каспер кладёт банку в сумку-холодильник и отдаёт курьеру — через 15 минут посылка прибудет в Алленовский институт головного мозга, основанный Полом Алленом, одним из создателей Microsoft.

Это верно лишь отчасти. Многие думают: если хирурги способны делать операции на мозге, значит, должна быть какая-то карта его устройства. Структурная диаграмма мозга появилась ещё в начале прошлого века; она описывает отделы, состоящие из разных клеток.

Многому учатся врачи, случайно удаляя те области, которые трогать не следовало. Но большая часть из того, что известно докторам о работе того или иного участка, обнаруживается благодаря воздействию током или функциональной МРТ, показывающей изменения в кровотоке.

Если сравнить изученность мозга с изученностью других частей тела, то мозг окажется вовсе не исследованным. Тем не менее пробелов на карте всё ещё много.

Popular Mechanics

В 2003 году Аллен узнал, что у его матери развивается болезнь Альцгеймера, после чего пожертвовал $100 млн на открытие научного института, где можно было бы проводить всесторонние и трудоёмкие исследования мозга.

В соответствии с распоряжением Аллена, все собранные данные находятся в открытом доступе. За годы работы Алленовский институт составил несколько генетических атласов головного и спинного мозга. В конечном счёте сотрудники института задались вопросом: а не поможет ли исследователям периодическая таблица всех клеток мозга? Впрочем, даже этого недостаточно, чтобы объяснить, как мозг обрабатывает информацию. Сколько их типов вообще существует?

Уже три года институт работает над первым в своём роде каталогом клеток мозга, разделяя их по электрической активности, экспрессии генов и морфологии. Судя по всему, больше тысячи.

Начав с клеток мозга мыши (их проще достать), учёные не так давно перешли к человеческому мозгу; они объединились с шестью местными врачами и собирают образцы, оставшиеся после операций, которые бы в противном случае попросту выкинули.

Определение клеточного типа станет необходимым, обязательным шагом в понимании того, кто мы есть.

Кристоф Кох

глава Алленовского института головного мозга

Кто-то, проводя анализы, засидится в лаборатории до глубокой ночи. После прибытия образца из клиники Харборвью начинают работу команды исследователей: на анализ у них есть не больше трёх дней, а то и нескольких часов — клетки быстро погибают. Однако образцы человеческого мозга приходят в институт не так часто — 40 раз в год — и каждый делится между шестью исследовательскими группами.

Несколькими этажами ниже группа ультрамикроскопии делит кубический миллиметр мышиного мозга на 25 тысяч кусочков и, сняв 250 млн фотографий этих частиц, загружает изображения в программу, похожую на Google Street View, которая позволит учёным отследить миллиарды связей между сотней тысяч нейронов. Каталогизация клеток не единственный амбициозный проект, которым занимается институт.

Среди спонсоров проекта — IAPRA, агентство в подчинении Национальной разведки, и Google. Команда уже создала первый прототип — по нажатию нейрон увеличивается, показывая как и с чем он соединён.

Глядя на работу исследователей, видишь будущее, где библиотека клеток, дополненная интерактивными картами, позволит проводить клеточные операции, менять структуру коры и даже восстанавливать повреждённые отделы мозга с помощью, например, разработок Гётц.

Popular Mechanics

Балтимор, Мэриленд

Игра I Am Dolphin

Рука идёт по кругу — дельфин отдаляется. Управлять дельфином непросто — начать движение можно покачиванием руки, но он тут же переворачивается. И это самый простой вариант игры. Волнообразное движение плечами — дельфин подплывает к рыбке и проглатывает её. «Всего в ней 110 уровней, на некоторых появляются акулы, а рыбка становится умнее», — говорит разработчик Промит Рой.

Вместе с ним работают Омар Ахмад со степенью по информатике и Джон Кракауэр, глава университетской лаборатории мозга, обучения, анимации и движения. Рой, прежде работавший в Microsoft и Nvidia, — один из основателей студии Kata при Госпитале Джонса Хопкинса и одноимённом университете. Совместными усилиями они создали одну из самых продвинутых терапевтических видеоигр.

Реабилитация — процесс долгий, сложный и скучный настолько, что нередко пациенты впадают в депрессию. Сейчас лечение травм мозга сводится к тому, чтобы терапией побудить его к самостоятельному восстановлению нейронных связей.

Popular Mechanics

Перенёсшим инсульт нужна терапия насколько занимательная, что они будут обращаться к ней снова и снова, какой бы сложной и длинной она ни была, пока не выполнят задание. Рой, Ахмад и Кракауэр считают мотивацию главной проблемой: если пациент уверен, что ему предстоит «приблизительная» жизнь, когда он не сможет даже поднести кружку ко рту, а этот навык нередко отрабатывают на трудовой терапии, зачем ему вообще тратить силы на восстановление?

И всё, больше никаких инструкций», — рассказывает Рой. «Больным мы говорим: съешьте рыбу. Называется игра I Am Dolphin, в ней нужно управлять животным, двигая повреждённой частью тела (инсульт — это нарушение кровотока в мозгу, зачастую в одной его половине, поэтому двигать противоположной частью тела становится тяжело).

Он не замечает, что он в больнице, что он болен, а только и думает: как бы съесть эту мелочь», — уверены Рой и его коллеги. «Начиная игру, больной не знает, как двигается дельфин — нужно выяснить.

Дизайнер Джерро Вимберли рисует новые уровни игры

Пробный пациент Kata Дэвид Стивенсон был парализован с левой стороны. Учиться двигаться заново, притворяясь мультяшным персонажем, движения которого не ограничены человеческими, оказалось результативно. С помощью I Am Dolphin и системы утяжелителей он разработал руку до такой степени, что её движения почти неотличимы от движений здорового человека.

Вместе с тем уже сейчас разрабатывается вторая версия игры, более красочная, с мультиплеером. И хотя команда всё ещё обрабатывает данные, предварительные результаты показывают, что I Am Dolphin эффективнее, чем методы традиционной терапии. Самим весельем, пожалуй, и объясняется действенность задумки Kata. Возможно, больничные будни вскоре превратятся в виртуальный семейный футбол.

Нью-Йорк, Нью-Йорк

Энтони Фитцпатрик

Большинство нейродегенеративных заболеваний, включая болезни Альцгеймера, Хантингтона и Пика, деменцию, ПСВП, латеральный склероз и хроническую травматическую энцефалопатию, связаны со скоплением в мозге различных белков, или нейрофибриллярными клубками.

Неизвестно, вызывают ли расстройство эти самые белки или что-то другое. Причины их появления неизвестны. Вне зависимости от типа белка результат один — мозг путается в складках бесполезных белков. Однако ясно, что их появление что-то значит.

Лекарств, предотвращающих спутывание, несмотря на все попытки, создать не удалось. Болезнь Альцгеймера — один из самых сложных случаев, так как путаются сразу два белка: предшественник бета-амилоида и тау-белок.

Его подход к изучению клубков выглядит так: сначала он их замораживает, а затем с помощью мощного микроскопа делает снимки с разных углов. Спутанными белками и занимается биофизик из Колумбийского университета Энтони Фитцпатрик. После учёный, используя компьютеры и свои знания по химии, пытается понять, как именно слиплись белки, почему и какими препаратами процесс можно исправить.

Начал он с тау-белка. Недавно Фитцпатрик совершил настоящий переворот в исследовании болезни Альцгеймера, став первым, кому удалось заморозить белок из мозга недавно умершей от этого недуга женщины и создать его морфологическую карту.

Popular Mechanics

Запутавшись, тау-белок не способен выполнять свои функции. Складываясь правильно, тау-белок включается в структуры, стабилизирующие микротрубочки, поддерживающие аксоны, по которым идут нервные импульсы. Кроме того, он заставляет путаться и другие белки.

ПСВП, которым страдает Эл Гарднер, и ряд других заболеваний считаются чистой таупатией. Недавние исследования показали, что ухудшение когнитивных способностей у людей с болезнью Альцгеймера тесно связано с распространением именно тау-белков, а не бета-амелоидов, как считалось прежде. Именно их в первую очередь и надеется излечить Фитцпатрик.

Тау-белок из мозга женщины, страдавшей Альцгеймером, сложился иначе, чем белок, изученный в лаборатории ранее. Всего насчитывается шесть типов тау-белков разной длины и девять вариантов таупатии; учёный стремится выяснить, один ли тип вызывает все болезни.

Можно ли, выяснив причину одного заболевания, установить её для всех остальных? Может быть, вся разница между болезнью Альцгеймера, ПСВП и хронической травматической энцефалопатией зависит от нарушений в тау-белке определённого типа?

Единственный способ выяснить — составить карты слипшихся тау-белков, чем и занимается Фитцпатрик.

Кембридж, Массачусетс

Полина Аникеева

Среди её проектов, например, работа над технологией квантовых точек, которые можно встретить в дисплеях телевизоров. Долгое время Полина Аникеева занималась оптоэлектроникой.

Нейробиология — молодая наука. Однако изменения в этой сфере происходят медленно, а Аникеевой хотелось изобретать невиданные прежде вещи. Она оказалась подходящим полем для экспериментов, и постдок-программу Аникеева прошла в нейробиологической лаборатории Стэнфорда.

Половина её тела полностью потеряла чувствительность, а пару позвонков врачи соединили большими титановыми болтами. Как-то раз Аникеева, любительница гор, отправилась в поход, и одна из её подруг сорвалась со скалы, повредив позвоночник.

Терапия тоже шла как обычно. «Они даже не пытались провести функциональную стимуляцию или соединить хоть часть нервов», — комментирует Аникеева лечение подруги. Исследовательнице, которая много лет занималась совершенствованием полупроводниковых нанокристаллов для экранов, показалось, что для тех, кто учится заново ходить, делается недостаточно.

По словам издания, интерфейс по-прежнему оставляет желать лучшего, поскольку мозг, консистенция которого напоминает пуддинг, меняет форму с каждым ударом сердца. Мозговая стимуляция применяется в медицине с 1970 годов и за это время существенно улучшилась — во многом благодаря появлению механизмов обратной связи, обучающих алгоритмы систем. Напрямую присоединить к нему провод всё равно что царапать его ножом.

Её последний прототип состоит из провода, по которому бежит ток, небольшой капсулы для доставки лекарств или других химических веществ и отражающего канальца, опсина, передающего свет. По этой причине Аникеева решила создать гибкие волокна, способные встраиваться в нервную систему, не вредя ей.

Встраивая в нейроны гены белков, реагирующих на свет, учёные могут изучать принципы работы нервных клеток. Опсины — основа молодой науки, оптогенетики.

Аникеева придумала водорастворимую оболочку, которая скрепляет волокна на время установки. Аникеева и её коллеги изобрели биологические кабели, толщиной с волос — связки отдельных каналов (для света, жидкости и электричества), окружённые чистым композитом.

Один из проводов, созданных Аникеевой. Его диаметр — 100 микрометров

Уже сейчас коллеги исследовательницы тестируют провода на мышах с повреждённым спинным мозгом. В будущем волокна Аникеевой могут стать основой для устройств, предназначенных для точной мозговой терапии. Через подобные волокна можно подключать даже компьютерные интерфейсы, способные управлять телом пациента с Паркинсоном за него самого.

Впереди остаётся много работы: безопасность, улучшение алгоритмов, оценивающих нервную активность, диагностика заболеваний. «Технически это реализуемо уже сегодня, — делится с изданием Аникеева, — но больным разработка сможет помочь в лучшем случае лет через десять».

Бетесда, Мэриленд

МЭГ

Его цель — дать пациентам покой. На территории Военного медицинского центра имени Уолтера Рида разместился Национальный центр передового опыта (NICoE). Персонал, передвигаясь по коридорам, общается шёпотом.

— Самое ужасное здесь то, что взрыв ранит с головы до ног». «Более 80% раненых в зарубежных конфликтах за последние 15 лет получили взрывные травмы, — приводит статистику Луи Френч, заместитель директора NICoE.

Подобные повреждения не всегда видны на МРТ, и многие солдаты по возвращении домой страдают от необъяснимых неврологических и психических проблем. Ударная волна может привести к скручиванию или растягиванию аксонов, через которые общаются нейроны. Так и появился NICoE. В 2007 году Конгресс США решил, что таким людям нужно место, где их будут обследовать и лечить.

В Бетесде делают нечто похожее: в рамках собственной программы центра, рассчитанной на четыре недели стационара, пациентов сначала обследуют, а затем отправляют на терапию. И хотя нейроны сами по себе не восстанавливаются, можно научить мозг компенсировать потери, что и доказала команда Kata.

И это показатель в Центре Уолтера Рида, где обычно занимаются самыми сложными случаями. 71% военных, прошедших курс, замечают улучшения в качестве жизни.

Popular Mechanics

Сегодня большинство пациентов приходят в NICoE со сложными изменениями в поведении, причины которых могут крыться и в психологии, и в неврологии. И всё же работу врачей могло бы облегчить устройство, которое бы точно указало на те участки мозга, где аксоны повреждены. Кроме того, как же вылечить орган, когда не видно, что с ним не так?

В клиниках США таких устройств всего девять. Пока наиболее эффективное такое устройство — магнитоэнцефалография (МЭГ). Точность МЭГ позволяет врачам ставить диагнозы наверняка. Они способны измерять мозговую активность «в прямом эфире» и давать врачам точные сведения о нарушениях работы мозга.

Врачи заключили, что у него есть нарушения исполнительных функций. Так, например, пострадавший солдат не мог принимать решения на основе письменного текста. Благодаря МЭГ доктора поняли: из-за травмы он просто не мог читать достаточно быстро, чтобы принимать решения, — и назначили правильное лечение. Однако с ними было всё в порядке.

Будущее

Но когда он мог ещё разговаривать с женой, ясно дал понять: его мозг достанется исследователям. Никто наверняка не знает, сколько осталось Элу Гарднеру. ПСВП — болезнь, ключ к лечению которой может открыть путь к лечению десятка других.

Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть