Прорывы в нейробиологии дают надежду на расшифровку самого сложного ребуса человеческого организма — работы связанных воедино миллиардов нейронов и синапсов. Результатом этих научных изысканий должна стать победа над нейродегенеративными заболеваниями и появление в обществе касты «суперстарцев»
Накопление данных наконец начинает приносить плоды в нейробиологии, открывая все больше возможностей для глубокого проникновения в самую сложную структуру человеческого организма — мозг. В этом году впервые был искусственно создан нейрон, который абсолютно точно воспроизводит паттерны импульсов сразу из трех разных областей мозга, обрабатывая информацию так же, как обычные нейроны. Ключевым элементом синтетического нерва стал мемристор — наноразмерный компонент, реагирующий на прохождение через него электрического тока; с его помощью устройство может динамически перераспределять нейронные роли, попеременно выполняя функции, связанные с движением, планированием и зрением. Ранее это считалось невозможным: все аналоги нейронов были способны имитировать выполнение только одной задачи.
«В будущем человеческий мозг, вероятно, перестанет быть таинственным черным ящиком, недоступным для понимания ученых, и его можно будет воссоздать с помощью электроники», — заявил один из создателей «супернейрона», выпускник МФТИ, профессор Университета Лафборо (Великобритания) Сергей Савельев.
Эти результаты лишь маленький шаг к получению представления о человеческом мозге как о системе, но они подогрели интерес к нейронаукам. «Сегодня наблюдается очень интенсивный рост: происходит много открытий, идет постоянная аккумуляция материала — как будто для того, чтобы появился гений, способный собрать все это в едином концепте, — отмечает директор Института биологии и биомедицины Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского Мария Ведунова. — Такой этап очень важен. Одна из приоритетных задач сейчас даже не поиск, а расшифровка закономерностей функционирования биологических нейронных сетей с точки зрения обработки и передачи данных. Область имеет гигантские перспективы: когда здесь случится прорыв, это полностью изменит как наш подход к медицине, в частности к геронтологии, так и мир компьютеров, принципы обработки и хранения информации».
В контексте технологической гонки за созданием наилучших систем искусственного интеллекта модель человеческого мозга стала ценнейшей «скрижалью» для научных поисков. С одной стороны, мозг — самый энергозатратный орган в теле человека (его масса составляет всего 2,5% от массы тела, а потребляет он 25% всей энергии и 20% всего кислорода — больше, чем сердце и мышцы), с другой — максимально эффективная вычислительная система, которая по параметру «энергозатраты — результат» превосходит современные компьютеры на тысячи порядков.
«Системы ИИ пока даже не приближаются к головному мозгу по уровню решения проблем. Им не свойственно создание нового, тогда как одной из отличительных черт нашего мозга является то, что мы всегда можем придумать еще один оригинальный вариант решения», — комментирует Мария Ведунова.
При этом до сих пор неясно, какими молекулярными механизмами обусловлено такое преимущество. По словам эксперта, принципы обработки, передачи и хранения информации в человеческом мозге гораздо сложнее, чем мы можем себе представить. Нейробиологи склоняются к тому, что вести исследования экстенсивным путем, пересчитывая миллиарды нейронов и квадриллионы синапсов, бессмысленно: они постоянно умирают и иногда рождаются. Намного интереснее узнать, какие цепочки реакций в разных областях мозга ответственны за разные процессы, в том числе за воображение и творчество.
Одна из локальных вершин на этом пути, покорение которой сегодня считается особенно актуальным и захватывает все больше ученых по всему миру, связана тем не менее с весьма прозаичной и прикладной целью — поиском причин нейродегенеративных заболеваний и возможностей их нейтрализации на каком-либо этапе. Для развитых стран с растущей долей стареющего населения (в России число людей старше 65 лет составляет около 18%; в Германии, Финляндии, Греции — более 23%; в Португалии и Италии — свыше 24%; в Монако — 36,17%) это особенно чувствительная тема. Доказано, что после 65 лет риск развития болезни Альцгеймера (БА) — самой распространенной нейропатологии, при которой наблюдается неуклонное прогрессирование расстройства памяти и познавательных функций, — увеличивается в два раза каждые пять лет. ВОЗ прогнозирует, что к 2050 году в мире станет втрое больше людей с БА.
«С точки зрения науки нейродегенерация у человека неизбежна. Каждый день в мозге умирает примерно 100 тысяч нейронов. У тех, кто пьет, курит, много нервничает, эта цифра увеличивается, но и при правильном образе жизни она не уменьшается, — поясняет Мария Ведунова. — А поскольку в нашей популяции постоянно растет продолжительность жизни и, соответственно, увеличивается число людей старшей возрастной группы, поиск веществ, способных затормозить болезнь Альцгеймера, становится мейнстримом науки».
Несмотря на долгую историю изучения распространенных форм деменции, ключа к ним у медиков до сих пор нет. Преобладающая сейчас теория возникновения БА связывает развитие этой нейропатологии с тремя факторами: накоплением в синаптической щели (в месте, где происходит передача сигнала от одного связующего звена между нейронами — синапса — к другому) бета-амилоидного белка, который откладывается в виде бляшек и разрушает нейроны; иммунным ответом на контакт с этим белком со стороны определенных клеток (микроглии), которые, в свою очередь, запускают каскад воспалительных реакций, тоже повреждающих нейроны; и образованием из-за этих реакций внутри самих нейронов неких бусиноподобных структур, заполненных аномальным тау-белком, который пожирает клетки мозга. Сам бета-амилоид возникает в результате ферментативного расщепления некоего трансмембранного белка, который экспрессируется во многих тканях, концентрируется в синапсах и выполняет различные регуляторные функции в мозге.
«Если мозг человека, умершего от болезни Альцгеймера, рассмотреть под микроскопом, будет видно, что от мозга там осталось в лучшем случае 50 процентов и всюду амилоидные бляшки. По мере развития патологии разрушаются миллиарды нейронов — это действительно дегенерация. И пока никто не нашел универсального решения проблемы — чтобы, например, сменить диету или принять какой-то препарат, и все бы вернулось обратно», — комментирует профессор МГУ и Сколковского института науки и технологий нейрофизиолог Михаил Лебедев.
В последние годы в нейробиологии появились новые исследования: так, в экспериментах на животных опробованы сразу несколько подходов, с помощью которых ученые надеются найти способ противодействия накоплению бета-амилоида в мозге. Одна из самых обсуждаемых гипотез, которую проверяют научные группы по всему миру, заключается в том, что в норме этот белок является частью иммунитета. Но в результате нарушения гематоэнцефалического барьера из-за сбоя в мозг начинают проникать токсины и другие вредные вещества, что провоцирует более активное образование бета-амилоида. Есть версия, что лечение БА может быть связано с восстановлением нормального транспорта веществ из крови в мозг.
Опираясь на эту гипотезу, ученые Саратовского национального исследовательского государственного университета совместно с коллегами из Хуачжунского университета науки и технологий предложили использовать в терапии стареющего мозга ближний инфракрасный свет (БИК), способный проникать через мягкие и твердые ткани в глубокие структуры организма и активировать внутриклеточные каскады биохимических реакций. Биологи провели эксперимент и выяснили, что в результате облучения мышей светом с длиной волны 1275 нанометров их мозг начинал вырабатывать оксид азота, который расширяет менингиальные лимфатические сосуды — своеобразные туннели для выведения продуктов жизнедеятельности клеток и токсических веществ из тканей. Ученые полагают, что таким образом можно будет восстанавливать дренажную функцию мозга, а значит, устранять окислительно-восстановительный дисбаланс, нейровоспаления и повреждение нейронов, которые, вероятно, приводят к накоплению бета-амилоида. По словам разработчиков, такую фототехнологию можно будет реализовать в виде носимых неинвазивных устройств, применяемых в домашних условиях.
О революционной методике «очистки» мозга на днях заявила и команда ученых из Института биоинженерии Каталонии (IBEC) и Университета Западного Китая: они создали «коктейль из наночастиц», имитирующих лиганды белка LRP1, которые связывают бета-амилоид и транспортируют его через гематоэнцефалический барьер в кровоток для утилизации. В их эксперименте всего три дозы лекарства позволили за час снизить уровень бета-амилоида на 50–60% в мозге мышей, генетически настроенных на повышенное производство этого белка; через год стареющие грызуны (эквивалент 60-летнего человека) восстановили когнитивные функции, а 18-месячные мыши (эквивалент 90-летнего человека) стали вести себя, как здоровые молодые особи.
«Долгосрочный эффект достигается за счет восстановления сосудистой сети мозга. Когда она снова начинает функционировать, токсичные вещества выводятся, а система возвращается в равновесие», — поясняет Джузеппе Батталья, профессор IBEC и руководитель исследования.
К стадии клинических испытаний подходят и несколько других многообещающих препаратов от распространенных нейропатологий. Так, группа ученых из Медицинской школы Гарварда полагает, что первопричиной развития болезни Альцгеймера может быть дефицит лития, который в норме должен присутствовать в мозге и защищать его структуры — синапсы, миелиновую оболочку и микроглию — от повреждения. Однако при БА этот металл связывается с амилоидными бляшками и усугубляет повреждение мозга. В исследовании, длившемся 15 лет, у трансгенных мышей с предрасположенностью к бета-амилоидным накоплениям, которых постоянно поили литиевой водой (использовался оротат лития, он же витамин В13), почти не образовывалось бета-амилоидных бляшек и клубков тау-белка, а у старых мышей с включением в рацион того же металла уменьшались возрастные проблемы с памятью.
На днях Северо-Западный университет (штат Иллинойс, США) представил работу, в которой впервые описан ранее неизвестный высокотоксичный подтип белка бета-амилоидных олигомеров, который появляется в мозге на самых ранних стадиях болезни Альцгеймера. Ученые провели эксперимент: в течение 60 дней они лечили подопытных мышей низкомолекулярным соединением NU-9, что привело к заметному сокращению раннего воспалительного ответа, который обычно начинается за годы до потери памяти. Снизился у грызунов и уровень других маркеров нейродегенерации. Дэниел Кранц, один из авторов исследования, полагает, что на основе полученных результатов удастся создать терапию, способную замедлить или даже предотвратить развитие заболевания еще до появления симптомов.
Среди российских проектов мирового уровня стоит отметить разработку Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, которая успешно прошла испытания на мышах. Биологи изучали тонкости передачи нервных импульсов от одной клетки к другой и обнаружили новый механизм, стимулирующий формирование белков-кластеров, которые усиливают нейронные связи в гиппокампе — области мозга, отвечающей за память. Эти результаты стали базой для создания нового соединения — синтетического производного cmp2 от лекарства пиперазина, которое уже используется для лечения ряда заболеваний, в том числе центральной нервной системы. Механизм его действия основан на селективной стимуляции канала, который, как ожидается, будет компенсировать синаптическую пластичность в нейронах гиппокампа.
«Болезнь Альцгеймера пока остается для науки сложной историей. Но уже сейчас есть шанс, что в ближайшем будущем мы сможем достаточно легко корректировать это заболевание», — отмечает Мария Ведунова.
Понимание принципов работы человеческого мозга и появление препаратов, способных компенсировать его дисфункции, связанные в первую очередь со старением, позволит обществу перейти к суперэйджизму — ситуации, когда большинство людей преклонного возраста сохранят отличную память и ясный рассудок — до ста лет и дольше. В этом году нейробиологи уже упоминавшегося Северо-Западного университета подвели промежуточные итоги 25-летнего исследования нейроанатомии долгожителей. Выяснилось, что феномен «суперстарцев» связан с более высокой устойчивостью их мозга к накоплению тау-белков и амилоидных бляшек, причем, даже если таковые образуются, они не оказывают никакого влияния на когнитивные способности. В числе особенностей нейропрофиля участников эксперимента отмечалось также, что у них не наблюдается истончения коры (внешнего слоя мозга) и присутствует много веретенообразных нейронов (нейронов фон Экономо), которые ассоциируют с социальным поведением.
«Наши результаты показывают, что исключительная память в пожилом возрасте не только возможна, но и связана с особой нейробиологией. Это открывает путь к новым методам сохранения здоровья мозга в поздние десятилетия жизни», — уверена профессор Сандра Вайнтрауб, одна из авторов исследования.
К настоящему времени в нейробиологии уже определен ряд факторов, способствующих «суперэйджизму»: это здоровый сон, во время которого происходит «уборка» астроцитами межклеточного пространства мозга от обломков погибших молекул; поддержание позитивных социальных взаимодействий, что связано с высвобождением нейромедиаторов и синхронизацией мозговой активности в ответ на обмен различными сигналами: жестами, мимикой, интонацией; физические нагрузки, улучшающие кровоток, а значит, и снабжение клеток кислородом; а также письмо от руки, которое максимально активизирует разные области мозга.
Исходя из этого трендом десятилетия, полагают ученые, станет «фитнес для мозга». «Лет тридцать назад люди пришли к пониманию, что нужно заботиться о своем теле; возникла мода на здоровое питание, занятия спортом. Сейчас растет интерес к сохранению когнитивного здоровья, замедлению и даже предотвращению старения мозга, под которым мы понимаем потерю критического мышления, неспособность адекватно оценивать ситуацию, боязнь социальных контактов, — поясняет Мария Ведунова. — Все современные концепции противодействия старению мозга связаны с активным долголетием: чтобы человек не замыкался в себе, не оставался один и был социально активен. Проблема в том, что, когда человек уже действительно стар, ему подобные программы в тягость. Поэтому осознание необходимости работы с мозгом должно приходить раньше — не когда ты уже теряешься в городе, а когда тебе еще 35, но ты понимаешь, что хочешь быть активным и через 50 лет тоже».
В отдаленной перспективе нейробиология готова предложить и более радикальный способ «прокачки» мозга вне зависимости от возраста — искусственное улучшение пропускной способности нейронных связей. Предполагается, что это можно обеспечить внедрением чипов в мозг. В мире уже есть несколько компаний, которые проводят подобные эксперименты. В частности, в США компания Neurolink Илона Маска создает нейроинтерфейсы — капсулы с тысячами электродов, подключаемых к живому мозгу: они позволяют обучать макак играть в видеоигры и дают парализованным людям возможность силой мысли управлять компьютером. В России биотех-лаборатория Neiry совместно с учеными из МГУ проводит эксперимент с крысой Пифией: ей вживили в мозг чип с искусственным интеллектом, чтобы проверить механизм передачи содержательной информации через телесные ощущения. К настоящему времени в исследовании участвуют уже несколько грызунов, а ученые готовят к публикации очередную статью о возможностях познания мозга живого существа посредством симбиоза железного и биологического.
С образцами нейрочипов экспериментируют и другие стартапы, в которые инвестируют Марк Цукерберг, Билл Гейтс, Джефф Безос, а также минобороны США и правительства Китая и Австралии. Компании создают различные системы для транслирования мыслей и передачи их на гаджеты для полностью обездвиженных людей, устройства для контроля за тремором у страдающих болезнью Паркинсона, приборы для восстановления нейронных связей при проблемах с памятью в старости и даже чипы для обычных людей, которым хочется, не вынимая рук из карманов, печатать большие тексты на смартфоне с фантастической скоростью.
Однако надо признать, что безграничные возможности нейрочипирования, которые привели бы к созданию сверхрасы людей с супермозгом, остаются сюжетами из области научной фантастики. При всех ошеломляющих успехах нейробиологии ничего подобного создать еще долго (а скорее всего, никогда) не получится, так как мозг — это живая, динамическая система. На каждом этапе гибели нейронов он перестраивается и, включая индивидуальные резервы, все равно сохраняет структуру, а синапсы естественным образом перераспределяют потенциал его разных областей. Такая нейропластичность выражается ежесекундной сменой каскада биохимических реакций и не поддается алгоритмическому выражению. Зато при имеющемся уровне знаний о мозге можно рассчитывать на их позитивную конверсию без этических рисков: просто на максимальное продление когнитивного здоровья людей.