Тайны головного мозга

Вчерашний день может войти в историю как начало переворота в науке в целом и нейробиологии в частности. Во вторник, 2 апреля, президент Обама официально объявил о запуске проекта BRAIN: правительство США вкладывает 100 миллионов долларов в разработку методов, которые в будущем позволят составить точнейшую карту мозга животного, а затем и человека и описать законы его работы на всех уровнях.

“Мы, люди, обнаруживаем галактики на расстоянии световых лет, изучаем частицы меньше атома, но до сих пор не раскрыли загадку трех фунтов вещества, что сидит у нас между ушей, – сказал Обама. – Ученые могут исследовать отдельные нейроны, но в мозге сотня миллиардов нейронов, которые образуют триллионы связей... Поэтому мы до сих пор не умеем лечить болезнь Альцгеймера или аутизм... Это гигантская загадка, которая ждет своего решения”.

Представьте будущее, в котором люди, перенесшие инсульт или страдающие нейродегенеративными заболеваниями, смогут полностью восстановиться, а парализованные пациенты и инвалиды, утратившие конечности, обретут свободу движения. Сегодня это кажется фантастикой, поскольку ученые пока не проникли в суть работы мозга и не могут рассмотреть, что происходит в здоровом состоянии и чем именно вызвано развитие болезни. Для этого нужны инструменты, позволяющие наблюдать одновременно за всеми нервными клетками в живом мозге.

Проект BRAIN (Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies – исследование мозга через усовершенствование новых нейротехнологий) как раз призван объединить усилия нейрофизиологов, наноинженеров, генетиков и физиков, которые смогут проследить активность мозга на уровне отдельных нейронов. Сегодня это звучит невероятно, ведь нервная клетка способна разряжаться сотни раз в секунду, а в крошечном мозге мыши, например, число таких клеток оценивается в 75 миллионов. Задача максимум проекта BRAIN, рассчитанного на ближайшие 15 лет, – знать в любой момент времени, что делает каждая из них. Животное при этом должно свободно двигаться, проявляя характерное поведение.

Обама назвал BRAIN следующим великим американским проектом. "Идеи – это то, что питает нашу экономику, – сказал Обама. – Мы всегда были нацией мечтателей, людей, которые видят то, что никто не видит, раньше, чем кто-либо это увидит". И это главное, на что нужно делать ставку. Полет человека на Луну, “Аполлон”, интернет, GPS, Google и многие другие прорывы стали возможны благодаря государственным инвестициям. Каждый доллар, который мы вложили в расшифровку генома человека, принес 140 долларов нашей экономике, сказал Обама. Поэтому, несмотря на сложности с бюджетом, на этот фантастический проект деньги найдутся. Финансовые подробности, вероятно, станут известны на следующей неделе, когда Обама представит бюджет Конгрессу. Однако уже сейчас подтверждено участие самых серьезных научных организаций, таких как  Национальный институт здоровья (NIH), Управление перспективных исследовательских проектов (DARPA), Государственный научный фонд (NSF), Медицинский институт Говарда Хьюза (HHMI), Фонд Кальви (Kavli) и другие.

Ученые, конечно, начнут работу не на пустом месте. В марте этого года нейрофизиологи из Медицинского института Говарда Хьюза опубликовали статью, где показали возможность считывать активность каждой нервной клетки в мозге рыбьего эмбриона. Примерно 80 процентов из всех его 100 000 нейронов удалось "засечь" с помощью новейшего метода светолистовой микроскопии (с помощью плоского луча света). Впечатляющий результат, учитывая, что BRAIN тогда находился лишь в стадии обсуждения. Однако ученым придется серьезно поломать голову над другими возможными методами, ведь мозг рыбьего эмбриона прозрачен, а мозг той же мыши скрыт за костями черепа.

Для решения этой проблемы необходимо разработать принципиально новые инструменты. Инициаторы проекта пришли к мысли об объединении усилий еще осенью 2011 года, когда собрались в британском Kavli Royal Society International Centre и обсудили текущее положение дел в нейронауке. Чтобы двигаться дальше, нужны новые средства наблюдения за происходящими процессами в мозге. Отдельные электроды, выхватывающие лишь несколько клеток из большого объема, не могут дать полной картины их взаимодействия. Сканирование мозга с помощью функциональной МРТ или ЭЭГ, напротив, показывает активность целых областей и не позволяет различить детали. Иными словами, назрела потребность в совершенно новых технологиях, которые сделали бы для нейронауки примерно то же, что сделал для астрономии телескоп. Такой прорыв, по всей видимости, будет совершен.

Специалисты, вовлеченные в проект BRAIN, изложили примерный план работ в журнале ACS Nano. В первые пять лет они рассчитывают научиться следить за 50 тысячами нейронов одновременно. Для этого, вероятно, будет достаточно усовершенствовать уже имеющиеся методы, основанные на воздействии света и светочувствительных белках, закрепляющихся на поверхности клеток.

На втором этапе количество нейронов возрастет до миллиона, и ученым придется серьезно углубиться в нанотехнологии, создать тончайшие нанонити и молекулярные зонды, которые можно будет запускать в мозг, чтобы регистрировать сотни разрядок в секунду каждой из миллиона клеток. Попутно придется решать массу проблем: иммунная реакция организма на чужеродные тела, наложение и неустойчивость сигналов, обработка гигантских массивов данных.

Третий этап вызывает ощущение полной фантастики. Через пятнадцать лет участники BRAIN должны научиться работать со структурами в десятки миллионов клеток (например, с корой головного мозга мыши). Причем наноустройства, сидящие на поверхности нейронов, будут не только пассивно фиксировать происходящее, но и откликаться на сигналы, полученные извне, либо реагировать на активность самих клеток и тем самым целенаправленно менять их свойства. Такие нанозонды будут способны к коммуникации между собой внутри нервной ткани. Иными словами, их реакции будут согласованными и глобальными, что позволит восстанавливать в мозге нормальную активность, характерную для здорового организма. Очевидно, такие технологии будут полезны не только для фундаментальной науки, но и для лечения сложнейших неизлечимых сегодня болезней.

Конечно, реализация всех намеченных планов не гарантирована. Однако попробовать, безусловно, стоит. "Мы не можем предвидеть, каким будет следующий прорыв. Мы не знаем, на что будет похожа жизнь через 20, 50 или 100 лет, – сказал Обама. – Но мы твердо знаем, что, если продолжить вкладываться в наиболее выдающиеся и многообещающие решения самых трудных проблем, жизнь станет лучше".