Ознакомительная версия.
Хагеманн и его команда назвали принесший успех ген ченнелродопсином ( channelrhodopsin) . В 2003 году они опубликовали научную статью с потрясающим заявлением: «ChR2 (разновидность ченнелродопсина. – Прим. автора ) может быть использован для деполяризации животных клеток… посредством облучения светом» [120] . Однако до применения этого открытия на практике было еще очень и очень далеко.
Практическое применение: свет и два переключателя – On/Off
Карл Дейсерот (Karl Deisseroth), психиатр из Стэнфордского университета, видел немало людей с тяжелыми заболеваниями. Но двое из его пациентов особенно часто заставляют вспоминать о себе. Как-то ему пришлось лечить блестящую студентку колледжа: девушка страдала от жестокой депрессии, из-за умственного расстройства принявшей угрожающий характер. Вторая пациентка была скована во всех своих движениях практически в буквальном смысле – из-за болезни Паркинсона. И этот недуг медленно разрушал участки ее мозга, контролирующие двигательную активность. Больная не могла ходить, улыбаться, есть. «Я не сумел спасти ни одну из них, – говорил мне Дейсерот. – И эта неспособность вылечить их, несмотря на все усилия, постоянно напоминает о себе. Я часто думаю об этих больных».
Карл Дейсерот, невысокий мужчина с фигурой борца, около 40 лет, – не только психиатр, но и нейроученый. Как психиатр он принимает пациентов один день в неделю, а оставшиеся четыре рабочих дня посвящает руководству нейролабораторией в Стэнфорде. В 2004 году он прочитал статью Хагеманна и задал себе тот же вопрос, что и Тсьен в 1999-м: можно ли при болезни Паркинсона генетически видоизменить неправильно функционирующие клетки головного мозга таким образом, чтобы управлять ими посредством светового воздействия?
Однако проблема, связанная с болезнью Паркинсона, не сводится только к выявлению поврежденных структур мозга. Да, травмы такого рода – это плохо. Но еще хуже отсутствие легких путей восстановления нормальной работы нейронных цепочек. Врачи могли либо, введя электроды глубоко в поврежденную область, подвергнуть всю ее электрошоку, либо наполнить весь мозг лекарствами. Подобные методы иногда помогали. Однако, даже в случае успешного лечения, возникали побочные эффекты.
Дейсерот понимал: намного лучшей тактикой было бы восстановление нормальной деятельности поврежденных нейронов при помощи технологии, нацеленной на каждую нуждающуюся в лечении нервную клетку. Однако в первую очередь следовало определить, на какие именно нейроны нужно воздействовать.
Чтобы исследовать этот вопрос, Дейсерот собрал нескольких студентов-выпускников, в числе которых были Фенг Занг (Feng Zhang) и Эд Бойден (Ed Boyden). Занг говорит, очень точно подбирая выражения, и его скупая речь с легким бостонским акцентом сочетается с манерами китайского мандарина. Бойден, напротив, говорит так быстро, что порой проглатывает слова, и иногда кажется, будто его мысли заметно опережают сказанное. Он из тех, кто всегда торопится. В свои 19 лет Эд успел закончить учебу в Массачусетском технологическом институте, защитив диплом по квантовым вычислениям, и устремился в докторантуру по стезе нейронауки.
В 2005 году Занг и Бойден повторили эксперимент Тсьена. Правда, им не пришлось искать необходимый ген. Они встроили его требуемым образом, поместили лабораторный образец ткани с нейронами на предметное стекло микроскопа и ввели тонкий электрод в одну из нервных клеток – чтобы наблюдать за ее возбуждением. После чего направили на эту клетку луч синего света. (Ченнелродопсин в наибольшей мере реагирует на свет с длиной волны 480 нм – то есть на лучи сине-голубой части спектра). Микроскоп, который использовали эти ребята, чем-то напоминал накачанного культуриста. В окуляр была встроена камера, на предметное стекло нацелился лазер, а в больших коробах размещалась аппаратура, предназначенная для усиления слабого тока, который, как они надеялись, должен был появиться. Если в нервной клетке возникнет импульс возбуждения, то на мониторе компьютера должен появиться огромный зубец. Все в точности так и произошло. При каждой вспышке света нейрон приходил в возбуждение, а по белому полю экрана один за другим двигались большие зубцы [121] .
Так у них появился «включатель» нейронов. Однако Бойден понимал: нужно научиться не только «включать», но и «выключать» это возбуждение. Некоторые недуги (например, эпилепсия) связаны с нарушением в нервной системе механизмов торможения. При этом нейроны остаются в перевозбужденном состоянии, изменить которое не удается. Уметь гасить возбуждение нервных клеток мозга – задача не менее важная, чем приводить их в состояние активации. Отсутствие возбуждения – это тоже информация. Допустим, если вы обещаете позвонить кому-то и сказать, что уже пришли домой, то отсутствие такого звонка тоже о чем-то говорит. Или, применительно к компьютерам, 0 не менее важен, чем 1.
Итак, теперь нужно было найти вторую составляющую – «выключатель» нейронного возбуждения. Бойден закончил свою диссертацию, получил еще год для дополнительной работы, а затем вернулся в Массачусетский технологический институт, чтобы в возрасте 27 лет возглавить собственную лабораторию. Он нашел бактериальный ген халорходопсин (halorhodopsin), полагая, что его свойства окажутся противоположны ченнелродопсину (channelrhodopsin). В 2006 году Бойден и его коллега Ксю Хан (Xue Han) встроили халорходопсин в нейроны, которые затем облучили желтым светом, – и возбуждение последних прекращалось. На следующем этапе работы ученые встроили в нервные клетки оба гена – и, варьируя сине-голубой и желтый свет, получили возможность как инициировать, так и подавлять возбуждение нейронов [122] .
Замечательно. Теперь в руках ученых находились и «включатель», и «выключатель» (ON / OFF switches). Они не только давали возможность контролировать активность нейронов, но и позволяли воздействовать на нервные клетки с исключительной точностью. Фактически, в то же самое время Фенг Занг открыл это явление в Стэнфорде: с помощью желтого света ему удавалось останавливать движение червей [123] . В других лабораториях экспериментаторы заставляли мух подниматься в воздух при облучении их сине-голубым светом. В телепередаче The Tonight Show Джей Лено (Jay Leno) даже позволил себе пошутить по поводу этой технологии: в видеоклипе он, осуществляя «контроль с удаленным доступом», пытался управлять мухой, летящей в рот Джорджу Бушу. Аналогичные исследования множились, как грибы после дождя, и вскоре с просьбой выслать им гены к Дейсероту стали обращаться десятки лабораторий.
К 2007 году в распоряжении Дейсерота и Бойдена оказалось все необходимое для проведения экспериментов с оптогенетикой над животными.
1. «Включатель» (ON switch) – ген ченнелродопсин (channelrhodopsin).
2. «Выключатель» (OFF switch) – ген халорходопсин (halorhodopsin).
3. «Прирученный вирус» (tamed virus) – покорное им орудие доставки генов внутрь клетки.
4. Методика, позволявшая вводить малые количества «прирученных вирусов» в строго определенный объем мозговой ткани.
5. «Промоутер», обеспечивающий избирательное действие по отношению к нервным клеткам. Если экспериментаторам нужно было, чтобы ченнелродопсин работал только в нейронах определенного типа и ни в каких иных, то решение данной задачи обеспечивало применение «промоутера» с определенными свойствами.
6. Технология введения оптоволоконного кабеля сквозь отверстие в черепе для направления пучка световых лучей к модифицированным тканям головного мозга.
В августе того же года Дейсерот и его рабочая группа создали свою мышь, бегавшую против часовой стрелки (counterclockwise mouse). Они ввели ченнелродопсин в переднюю правую область двигательной коры головного мозга мыши – то есть в тот участок, который контролирует левую ногу. Когда по кабелю пошел световой сигнал, зверек побежал по кругу налево [124] . Это стало принципиальным доказательством, которое и требовалось ученым. Дейсерот немедленно ориентировал свою лабораторию на исследования, касающиеся болезни Паркинсона. Нейробиолог собрал всю обзорно-аналитическую информацию о том, почему в некоторых случаях помогает электростимуляция. Предположений оказалось больше, чем фактов. Согласно одной из версий, электрический ток должен подавлять избыточную активность так называемых субталамических нервных ядер (subthalamic nucleus, STN). Согласно другой, он стимулирует вспомогательные клетки (support cells), расположенные вокруг субталамических нервных ядер, – благодаря чему усиливается выработка необходимого нейротрансмиттера. Однако ни одна из гипотез не могла быть проверена на деле. Не было никакой возможности гасить возбуждение именно субталамических ядер – точно так же, как и средств для избирательного стимулирования только вспомогательных клеток.
Благодаря оптогенетике теперь такая возможность появилась. В 2008 году Дейсерот и его студенты начали работать с мышами, половина мозга которых была поражена болезнью Паркинсона. Применяя инструменты оптогенетики, они блокировали возбуждение субталамических ядер у одной группы лабораторных мышей и одновременно стимулировали вспомогательные нервные клетки у другой. Если зверьки в одной из групп начнут двигаться нормально, как здоровые особи, сразу станет ясно, какая из двух гипотез верна.
Ознакомительная версия.
