Инициатива администрации Обамы в области нейрологии подчеркивает необходимость использования новых технологий для лучшего понимания функционирования электрических схем головного мозга как в большом, так и в малом масштабе. Различные существа - от круглых червей до мышей - будут находиться в центре внимания этой программы, потому что человеческий мозг слишком сложен, а этические вопросы слишком запутаны, и пока невозможно проводить анализ собственно человеческого органа каким-то имеющим смысл образом.
Но что бы произошло, если бы уже существовало средство для понимания того, как мозг организует себя в электрическую схему, и если бы уже была возможность использовать полученные знания для изучения процессов, происходящих при разного рода неврологических расстройствах на ранних этапах жизни человека? В сообщениях, публикуемых в научных журналах, стала постепенно просачиваться информация относительно того, каким образом стволовые клетки спонтанно организовываются и образуют сложную материю мозга - некоторые ученые называют полученный результат мини-мозгом.
Кристофер Уолш (Christopher A. Walsh), почетный профессор педиатрии и неврологии медицинского факультета Гарвардского университета, рассказал корреспонденту журнала Scientific American о важности проводимой им работы для понимания развития мозга человека и возникновения неврологических заболеваний (См. также статью «Перспективы» (Perspectives), написанную Уолшем для журнала Science совместно с Биунг-ил Баэ (Byoung-il Bae).
Scientific American: Вы можете сказать, каких инструментов не хватает для того, чтобы была возможность лучше понимать развитие мозга?
Кристофер Уолш: Чтобы понять, каким образом мозг решает чрезвычайно сложную задачу по созданию внутри себя электрической схемы, мы должны иметь возможность подвергнуть этот процесс строгому исследованию в лабораторных условиях. Нам необходимо иметь своего рода модель. Мы не может просто взять человека и поместить его под микроскоп, и поэтому мы должны найти способ моделирования мозга.
Читайте также: Вырасти себе мозг
Мыши оказались потрясающе удобными для изучения процесса образования электрических схем в мозгу, а также формирования в нем клеток. Мыши особенно полезны при изучении воздействия на клетки определенных генов, однако по мере того, как мы становимся все более и более осведомленными относительно стоящих перед нами проблем, мы получаем все больше возможностей думать не о тех вещах, которые являются общими у нас и у мышей, а о том, что нас от них отличает.
Мы все больше пытаемся понять специфические для человека особенности, и именно в этой области модели стволовых клеток начинают обретать все большее значение, потому что это на самом деле человеческие клетки. И у нас есть такие возможности манипулировать ими, о которых мы раньше не могли и мечтать - теперь мы можем поместить их в чашку и позволить им формировать первоначальные элементы мозга, которые на самом деле обладают некоторыми примитивными свойствами человеческого организма.
- Не могли бы вы более конкретно рассказать об этих работах?
- В течение нескольких лет мы могли выращивать эмбриональные человеческие стволовые клетки в культурах. Стволовые клетки - это очень мощные клетки, потому что они способны формировать самые разные типы клеток, что позволяет нам изучать сложные виды клеток в культурах. За последние несколько лет исследовательские группы в Японии, а также в Австрии разработали методы, позволяющие стволовым клеткам получать сложные формы в культурах, которые выглядят, как частички тела. Группе Йошики Сасаи (Yoshiki Sasai) в Японии удалось получить эмбриональные стволовые клетки в культурах и превратить их в то, что выглядит, как глаз. А совсем недавно лаборатория Юргена Кноблиха (Juergen Knoblich) в Австрии добилась того, что стволовые клетки сформировали нечто, что сильно напоминает кору головного мозга человека, и некоторые специалисты называют полученный результат органоидом или мини-мозгом. Мы знаем, что многие ключи развития находятся в тех процессах, которые происходят в контексте структурных образований и в сложной окружающей среде, в которой развиваются стволовые клетки. И таким образом теперь мы видим, что стволовые клетки могут воспроизводиться - и не только как тип клетки, но и как структура и как окружающая среда, где клетки взаимодействуют друг с другом сложным образом и где сигналы, передаваемые от одной клетки к другой, могут оказывать влияние на развитие. Изучение подобных сложных структур в лабораторных условиях позволяет нам получить значительно более совершенную модель того, что происходит в человеческом мозге на ранних стадиях развития.
Также по теме: Ученые вживили ложную память в мышиный мозг
- Какими вопросами вы сможете заняться, если эти технологии будут улучшены?
- Один из важных вопросов, которым мы можем заняться с помощью новых средств, - это изучение механизмов болезней человека. Некоторые из них можно очень хорошо моделировать в мышах и таким образом получить мутацию у мыши, а затем изучить механизм функционирования болезни в человеческом мозгу. Однако похоже на то, что другие гены у человека и у мыши сильно отличаются друг от друга, и поэтому мы получаем лишь примитивное представление о том, что они делают в человеке, когда мы изучаем их поведение в мышах. Таким образом, человеческие стволовые клетки позволяют углубить наши знания, и есть возможность добавить к ним то, что получено в процессе работы с мышами, а также результаты прямого изучения человеческих клеток.
- Есть ли возможность улучшить работу этих систем?
- Потрясающее впечатление произвела способность стволовых клеток формировать такие эмбриональные структуры, как сетчатка и мозг. Это все равно что наблюдать за собакой, танцующей на задних лапах - вы в восторге от того, что она может это делать. Но для того, чтобы мини-мозг стал на самом деле точным научным инструментом, мы должны будем придумать способы надежного и воспроизводимого выращивания подобных структур, мы должны уметь делать это многократно для того, чтобы понять, что происходит в тот момент, когда данный процесс прерывается.
В настоящее время нам удается сделать это лишь время от времени. И так происходит всегда в науке, когда делаются первые шаги. Однако я уверен в том, что технические усовершенствования мы увидим уже в самое ближайшее время.
- Разрабатываются ли другие технологии?
- Люди хотят узнать, сможем ли мы лучше понять работу мозга, если поместим человеческие клетки в мозг мыши и позволим им там развиваться. Это даст возможность небольшому количеству человеческих клеток развиться в крупный мозг мыши в относительно нормальной среде, где мы сможем увидеть, как они образуют из себя соответствующие структуры.
Читайте также: Что может нам рассказать мозг самой крупной акулы?
Другой способ состоит в том, чтобы дать возможность органоидам из стволовых клеток развиваться до такого момента, когда они на самом деле будут иметь прочные связи, которые мы сможем изучать с помощью технологий, позволяющих нам наблюдать за электрической активностью нейронов. Таких возможностей мы пока не имеем, но сегодня мы уже готовы приступить к работе по созданию сложных структур в пробирке.
В статьях, посвященных органоидам, приводятся данные о происходящей в них электрической активности, однако там нет результатов специально проведенных исследований детальной электрической активности. Из того, что на сегодняшний день было уже показано, можно сделать вывод о том, что это можно сделать.
- Это волнующее событие?
- Это нечто потрясающее. Такие расстройства, как умственная отсталость и аутизм, являются дисфункцией электрической активности, протекающей между нейронами. Однако мы считаем, что устройство нашего мозга довольно сильно отличается от мозга мыши. Поэтому было бы интересно понаблюдать за тем, что делают гены аутизма в реальном человеческом мозге. Такие когнитивные расстройства, как аутизм, умственная отсталость и шизофрения, являются весьма обширными областями, потому что мыслительные способности человека намного отличается от мыслительной способности мыши.
- Существуют ли другие исследования, где подобные модели могут оказаться полезными?
- Применение подобных способов может быть полезным при изучении функций тех генов, которые регулируют развитие человеческого мозга, но они функционируют иначе у мышей, поскольку у человека они находятся под эволюционным давлением. Можно взять один из примеров из статьи Кноблиха. Речь идет о гене CDK5RAP2, который регулирует деление клеток в мозгу, и поэтому он регулирует также размер мозга. Этот ген вызывает микроцифалию в том случае, если он подвергся мутации в человеческом организме, но продолжает регулировать поведение нейронных стволовых клеток человека.
