Тайны мозга
-
Сотрудник Мартиносовского центра медико-биологической визуализации надел шлем с датчиками — часть томографа, который потребляет почти столько же энергии, сколько атомная подводная лодка. Сенсоры улавливают сигналы, возникающие, когда магнитное поле томографа возбуждает молекулы воды внутри мозга. Компьютеры преобразуют эти данные в карты мозга, вроде той, что показана на следующем изображении.Фото: Роберт Кларк
Тайны мозга
- 5
- 54
- 11
Пригладив седеющую бороду, Ван Ведин склоняется к экрану монитора, выискивая среди сотен файлов нужный ему. Мы сидим в библиотеке без окон среди побуревших от времени коробок, набитых старыми письмами и давнишними номерами научных журналов со скручивающимися страницами; тут же стоит древний проектор для слайдов — жалко выбросить.
«Понадобится некоторое время, чтобы найти ваш мозг», — говорит Ведин.
На жестком диске этого компьютера хранятся сотни обезьяньих, крысиных и человеческих мозгов, то есть их подробнейших трехмерных изображений. Есть среди них и мой. Ведин предложил мне отправиться в путешествие по моей голове. «Мы посетим все достопримечательности», — улыбается он.
Я уже во второй раз приезжаю к Вану Ведину в Мартиносовский центр медико-биологической визуализации, расположенный в здании бывшей канатной фабрики в порту Бостона. В первый раз, несколько недель назад, я предложил себя на роль подопытной морской свинки. Меня провели в кабинет томографии, где я расположился на жесткой кушетке, положив голову в открытый пластиковый короб. Рентгенолог опустил мне на лицо белый пластмассовый шлем. Сквозь отверстия для глаз я смотрел, как он прикручивает каску покрепче, чтобы 96 установленных в ней миниатюрных сенсорных антенн оказались как можно ближе к моему мозгу и смогли лучше уловить испускаемые им радиоволны. Когда кушетка въехала в цилиндрическую утробу томографа, мне вспомнился фильм по роману Александра Дюма «Железная маска».
Магниты, окружавшие меня, начали гудеть и попискивать. Целый час я лежал неподвижно, с закрытыми глазами и пытался сохранять спокойствие. Это было непросто. Чтобы добиться наилучшего разрешения, Ведин и его коллеги сделали томограф таким тесным, что человек моего телосложения еле мог туда втиснуться. Подавляя приступ паники, я старался дышать ровно и мысленно бродил по закоулкам памяти — например, вдруг вспомнил, как однажды вел дочь в школу сквозь снежный буран.
Нейробиологи видят не только мозг в действии, но и нарушения в его работе.
Лежа в томографе, я размышлял о том, что все эти мысли и чувства производит тот самый полуторакилограммовый кусок плоти, что подвергается изучению: и мой страх, передаваемый электрическими сигналами, которые сходятся в кусочке ткани, называемом миндалевидным телом, и успокаивающий ответ на него, который возникает в лобной доле. Воспоминание о том, как я вел дочь в школу, было воспроизведено другой группой нейронов, формой напоминающей морского конька (отсюда и название), — гиппокампом. Гиппокамп пробудил в мозге обширную сеть связей, которая впервые возникла, когда я пробирался через сугробы, и вызвал это воспоминание.
«Положение в томограф» было для меня частью редакционного задания, связанного с одной из величайших научных революций нашего времени, а именно с поразительным прорывом в понимании того, как работает мозг. Одни нейробиологи сосредоточены на изучении сложного строения отдельных нервных клеток, или нейронов. Другие прослеживают происходящие в мозге биохимические процессы, выясняя, как 100 миллиардов наших нейронов производят и используют тысячи различных видов белков. Третьи же, в том числе и Ведин, создают удивительно точные и подробные карты сети примерно из 160 километров нервных волокон, называющихся белым веществом, которые соединяют разные участки мозга, порождая все, что мы думаем, переживаем и ощущаем.
Нейробиологи видят не только мозг в действии, но и нарушения в его работе. Они начинают выявлять различия здорового мозга и мозга людей, страдающих такими недугами, как шизофрения, аутизм и болезнь Альцгеймера. Составляя все более подробные карты мозга, они пытаются выяснить, где именно запрятаны эти болезни, и, может быть, со временем поймут, какие причины их вызывают.
Но вернемся в лабораторию Ведина. Он наконец находит изображение моего мозга, и оно появляется на экране. Технология диффузионной тензорной визуализации, более известная как магнитно-резонансная томография, или МРТ, которой пользуется Ведин, преобразует радиосигналы, испускаемые белым веществом, в высокоточный атлас моего нейронного Интернета. Томограф картирует пучки нервных волокон, образующие сотни тысяч путей, по которым от одних участков мозга к другим перетекает поток информации, а ученый раскрашивает каждый пучок своим цветом, так что мой мозг становится похожим на разноцветный мех психоделического персидского кота.
Ведин показывает мне некоторые из этих путей, важные для языковой деятельности и других видов мышления. Затем убирает большинство из них, чтобы было легче увидеть, как организованы отдельные «путепроводы». Он увеличивает картинку, и перед глазами возникает нечто поразительное: несмотря на головокружительную сложность нейропутей, все они пересекаются под прямыми углами, словно линии на листе тетради в клеточку.
«Представить невозможно, чтобы в этом не было никаких закономерностей, — говорит Ведин, пристально вглядываясь в изображение моего мозга. — Мы просто пока не достигли того уровня, когда сможем распознать их простоту».
Сегодня ученые узнают о мозге много нового, и очень легко забыть, что до последнего времени мы не имели ни малейшего представления о том, как работает этот орган, и что вообще он собой представляет. Врачи древнего мира полагали, что головной мозг состоит из холодной слизистой субстанции — флегмы. Аристотель считал его самой холодной частью тела, умеряющей теплоту и кипение в сердце. До эпохи Возрождения включительно анатомы с уверенностью заявляли, что все наши ощущения, эмоции, рассуждения и действия суть порождение «животных духов» — таинственных и непостижимых испарений, которые кружатся в полостях головы и с кровью путешествуют по всему телу.
Эти представления начали меняться во время научной революции XVII века. Английский врач Томас Уиллис понял, что вся наша духовная деятельность протекает по большей части в похожем на заварной крем веществе головного мозга. Желая выяснить, как там все работает, Уиллис препарировал мозг овец, собак и своих покойных пациентов, составив в итоге первое точное описание этого органа. На то, чтобы понять, что вовсе не животные духи, а электрические импульсы носятся по мозгу и через нервную систему — по всему телу, у исследователей ушло еще столетие. Но даже в конце XIX века ученые мало что знали о том, куда ведут пути, по которым передаются импульсы. Итальянский врач Камилло Гольджи утверждал, что мозг — это одна непрерывная сеть. Основываясь на его исследованиях, испанский нейроанатом Сантьяго Рамон-и-Кахаль опробовал новые способы окрашивания отдельных нейронов, чтобы проследить их перепутанные отростки. Ему удалось заметить, что каждый нейрон представляет собой самостоятельную клетку. Свои сигналы нейрон посылает по длинным отросткам — аксонам. Между окончаниями аксонов и принимающими кончиками соседних нейронов — дендритами есть крошечный зазор. Позже ученые откроют, что для того, чтобы передать сигнал соседнему нейрону, аксоны наполняют этот зазор — синаптическую щель — смесью из химических соединений.
Нейробиолог Джефф Ликтмэн, занимающий ныне в Гарварде профессорскую кафедру имени Рамона-и-Кахаля, продолжает начатые великим испанцем исследования. Вместо того чтобы зарисовывать пером вручную окрашенные нейроны, он и его коллеги создают трехмерные изображения высочайшей точности. Добираясь до мельчайших подробностей строения нервных клеток, они рано или поздно получат ответы на некоторые важнейшие вопросы о природе мозга. У каждого нейрона возникает в среднем по 10 тысяч синапсов — контактов с другими клетками. Существует ли определенный порядок в том, как одни нейроны контактируют с другими, или это происходит случайно?
Чтобы получить изображения, Ликтмэн и его коллеги кладут кусочки законсервированного мышиного мозга в нейроанатомическое подобие ломтерезки, которая срезает тончайшие — меньше одной тысячной толщины человеческого волоса — слои ткани. На электронном микроскопе ученые фотографируют каждый срез, а затем на компьютере «сшивают» фотографии в единое целое. «Теперь все видно», — говорит Ликтмэн.
Крохотный кусочек мозга оказался похож на бочку, полную извивающихся змей.
Единственная проблема — огромность этого «всего». Самый большой фрагмент мышиного мозга, который удалось воссоздать группе Ликтмэна, — с крупинку соли. А объем информации, содержащейся в этой крупинке, — уже приближается к сотне терабайт. Примерно столько же места заняли бы 25 тысяч фильмов в высоком разрешении.
После сбора данных начинается самая сложная работа: ученые пытаются выяснить, по каким правилам организован мнимый хаос мозга. Ученик Ликтмэна Нараянан Кастхури недавно решил изучить каждую деталь в цилиндрическом фрагменте мышиного мозга размером всего в тысячу кубических микрометров (это одна стотысячная той самой крупинки) и выбрал участок вокруг одного-единственного аксона.
И этот крохотный кусочек мозга оказался похож на бочку, полную извивающихся змей. Кастхури обнаружил там тысячу аксонов и около 80 дендритов — разветвленных отростков, каждый из которых образовывал около 600 синаптических связей с другими нейронами в пределах «цилиндра». «Этот пример дает понять, насколько мозг сложнее, чем мы думаем», — поясняет Ликтмэн.
Да, мозг сложен, но не хаотичен: Ликтмэн и Кастхури обнаружили, что каждый нейрон контактирует с одним-единственным соседом, тщательно избегая связей практически со всеми другими тесно окружающими его нейронами. «Похоже, им не все равно, с кем взаимодействовать», — говорит Ликтмэн. Пока он не может сказать, является эта разборчивость общим правилом или особенностью конкретного крошечного участка мышиного мозга. Даже при том, что он и его коллеги совершенствуют свою технологию, им понадобится еще два года, чтобы завершить сканирование всех 70 миллионов мышиных нейронов. Я спрашиваю, сколько времени может занять сканирование целого человеческого мозга, в котором нейронов в тысячу раз больше, чем в мышином. «Лучше об этом не думать», — отшучивается Ликтмэн.
Когда (и если) Ликтмэн завершит свою работу, трехмерный портрет мозга поможет найти ответы на многие вопросы, но все равно останется не более чем очень точной скульптурой. Сканированные нейроны — пустые макеты; настоящие нейроны наполнены живой ДНК, белками и другими молекулами. Каждый вид нейронов использует определенный набор генов, чтобы построить молекулярный механизм, необходимый для выполнения особых функций. Например, светочувствительные нейроны глаз создают белки, улавливающие фотоны, а нейроны, находящиеся в участке под названием черная субстанция, производят белок дофамин, влияющий на появление у человека чувства удовлетворения. Знания о том, где какие белки образуются, необходимы для понимания того, как работает мозг — и как он начинает сбиваться с пути истинного. Так, при болезни Паркинсона нейроны черной субстанции вырабатывают меньше дофамина; при заболевании Альцгеймера по мозгу распространяются клубки тау-белка — правда, пока непонятно, почему это приводит к тяжелому слабоумию.
Что свербит в мозге? Ученые из Калифорнийского технологического института и Калифорнийского университета (Лос-Анджелес) используют фотографии знаменитостей, изучая, как мозг обрабатывает то, что видят глаза. В 2005 году они нашли нервную клетку, которая возбуждается только тогда, когда испытуемым показывали изображения Дженнифер Энистон. Другой нейрон реагирует только при виде Холли Берри, даже в костюме женщины-кошки. Эти исследования показали, что для памяти о любом человеке или месте используется сравнительно немного нейронов, что и делает мозг вместительным хранилищем информации.Фото: Копирайты фотографий на ngm.com/brain
Карта молекулярных механизмов мозга, получившая название «Алленовский атлас мозга», создана в Алленовском институте исследований мозга в Сиэтле, который был основан десять лет назад на средства, пожертвованные Полом Алленом, одним из соучредителей компании Microsoft. Работающие в институте ученые исследуют мозг недавно умерших людей (с разрешения их родственников). С помощью МРТ высокого разрешения получают изображение мозга и используют его в качестве трехмерного плана, на который наносят изученные участки. Затем мозг нарезают на микроскопически тонкие слои, выкладывают их на стеклянные подложки, а после пропитывают химическими веществами, которые выдают присутствие активных генов, находящихся в нейронах. На сегодня исследователи обработали мозг шести человек и зафиксировали деятельность 20 тысяч кодирующих белки генов на 700 участках каждого мозга. Это колоссальный объем данных, и его еще только начинают осмысливать. По оценке ученых, 84 процента всех генов нашей ДНК так или иначе задействованы в работе различных областей мозга взрослого человека. (Более простым органам, вроде сердца или поджелудочной железы, нужно для работы куда меньше генов). В каждом из 700 участков нейроны приводят в действие особую группу генов.
Во время предварительного изучения двух участков мозга ученые сравнили тысячу генов, важных, как установили ранее, для функционирования нейронов. Как оказалось, у всех шести человек участки мозга, в которых действовал каждый из этих генов, практически совпали. Похоже на то, что мозг обладает тонкой и сложной генетической структурой, и особые сочетания генов выполняют те или иные задачи в различных его областях. А многие болезни мозга, вероятно, возникают тогда, когда определенные гены «выключаются» или начинают работать неправильно.
Все данные, содержащиеся в «Алленовском атласе мозга», доступны онлайн, и другие ученые могут знакомиться с ними с помощью специальной программы. Это помогает совершать новые открытия. Так, группа бразильских исследователей использовала эти данные для изучения синдрома Фара — разрушительной болезни, при которой происходит обызвествление участков, расположенных в глубине мозга. С помощью атласа бразильцы обнаружили, что в тех участках мозга, которые поражает это заболевание, особенно активен ген SLC20A2. Чтобы исключить ошибку, они ищут другие гены, активные в тех же частях этого органа.
Возможно, самый удивительный из новых способов визуализации мозга изобрел стэнфордский нейробиолог и психиатр Карл Диссерот с коллегами. Чтобы увидеть мозг, ученые для начала заставляют его исчезнуть.
Когда я приехал в лабораторию Диссерота, студентка Дженелл Уоллес провела меня к лабораторному столу с подставкой из пенопласта, на которой было установлено полдюжины чашек Петри. Уоллес взяла одну из них и показала мне лежащий на дне мышиный мозг размером с горошину. Но я смотрел не столько на мозг, сколько сквозь него: он был прозрачен как стеклянный шарик.
Нет нужды уточнять, что обычный мозг, как человеческий, так и мышиный, непрозрачен — его клетки окутаны жиром, глиальной (соединительной) и другими тканями, не пропускающими свет. Именно поэтому Рамону-и-Кахалю пришлось окрашивать нейроны, чтобы увидеть их, а Ликтмэну и его коллегам — нарезать мозг на тонкие слои. Преимущество прозрачного мозга заключается в том, что мы можем заглянуть внутрь, не разрушая его. Карл Диссерот и его ученик Квангхун Чунг нашли способ заменять рассеивающие свет соединения в мозге прозрачными молекулами. Сделав мышиный мозг прозрачным, они далее могут пропитывать его светящимися химическими маркерами, которые присоединяются только к заданным белкам и высвечивают определенный путь, соединяющий нейроны в отдаленных друг от друга участках мозга. После промывки добавляют другие химикаты, выявляющие местоположение и структуру следующего типа нейронов — так шаг за шагом можно, не разрубая, распутать гордиев узел нейронных сплетений.
Нейробиологов непросто чем-нибудь удивить, но метод Диссерота, получивший название CLARITY (от английского «ясность», «прозрачность»), буквально потряс их. «Это фантастически круто! » — говорит Кристоф Кок, научный директор Алленовского института.
Полученная с помощью CLARITY картинка, показывающая местонахождение всего лишь одного типа белков в мозге одного человека, будет «весить» около двух петабайт, то есть столько же, сколько несколько сотен тысяч фильмов в высоком разрешении. Диссерот надеется, что когда-нибудь CLARITY поможет людям вроде его нынешних пациентов выявлять скрытые причины таких заболеваний, как аутизм и депрессия. Но Карл не позволяет себе слишком увлечься этой мечтой. «Нам предстоит пройти такой долгий путь, что я не советую людям пока даже и думать об этом, — говорит он. — Это пока только разведка».
Как бы много информации однажды ни дал нам прозрачный мозг, он все равно будет мертвым. Ученым нужны другие инструменты, для того чтобы исследовать живой мозг. Помочь в этом могут томографы Вана Ведина, если их перепрограммировать. Функциональная магнитно-резонансная томография (ФМРТ) выявляет участки мозга, задействованные при выполнении тех или иных мыслительных задач. За последние два десятилетия с помощью ФМРТ были найдены цепочки, вовлеченные в мыслительные процессы всех типов, от распознавания лиц и наслаждения чашечкой кофе до воспоминаний о душевных травмах.
ФМРТ-снимки, на которых мозг расцвечен всеми цветами радуги, безусловно, производят впечатление, но нужно помнить, что это довольно-таки грубые изображения. Самые мощные томографы могут засекать активность только на уровне кубических миллиметров, то есть кусочков ткани размером с кунжутное зерно. Внутри этих зернышек сотни тысяч нейронов согласованно обмениваются сигналами. Как эти сигналы взаимодействуют друг с другом, вызывая более масштабные процессы — те, что засекает ФМРТ, — остается загадкой.
«Есть просто до смешного простые вопросы о коре головного мозга, на которые мы до сих пор не можем ответить», — говорит Клэй Рид из Алленовского института. Рид приехал в Сиэтл, надеясь найти ответы на некоторые из этих вопросов с помощью серии экспериментов, которые он и его коллеги называют «умоскопом» (MindScope). Их цель — понять, каким образом большое количество нейронов выполняет сложную задачу.
Группа Рида приступает к решению этой задачи, разводя мышей, зрительные нейроны которых будут испускать вспышки света в тот момент, когда они возбуждаются, скажем, при виде кошки или вкусной корочки сыра. Затем ученые попытаются, объединив данные, построить математические модели зрения. Если модели окажутся точными, можно будет в буквальном смысле слова прочитать, что у мыши на уме.
Исследования зрения мышей, проводимые Ридом, — это еще один шаг на пути к конечной цели всей нейробиологии: составить исчерпывающее представление о том, как на самом деле работает сложнейший орган, то есть создать теорию мозга. До этого еще очень далеко, но есть одна область исследований — нейрокомпьютерный интерфейс, — успехи в которой уже начали изменять жизнь людей.
В 43 года Кэти Хатчинсон перенесла обширный инсульт и потеряла способность двигаться и говорить. Лежа на койке в Центральной клинике Массачусетса, она постепенно поняла, что врачи не знают, жив ее мозг или нет. Сестра Хатчинсон спросила у нее, понимает ли она ее слова, и Кэти удалось ответить, подняв глаза. «Это было для меня таким большим облегчением! — делится со мной Хатчинсон 17 лет спустя. — Ведь все говорили обо мне так, словно я умираю».
Сейчас в Массачусетсе морозный зимний день. Хатчинсон сидит в инвалидном кресле посередине своей гостиной, одетая в темно-зеленый спортивный костюм и кроссовки. Кэти по-прежнему почти полностью парализована и не способна говорить, но может общаться: смотрит на буквы на компьютерном мониторе, прикрученном к ее креслу, а видеокамера следит за движением крошечного металлического диска, укрепленного в центре ее очков.
В мозге есть область, называемая двигательной корой, где возникают команды мышцам. Каждый участок этой коры отвечает за движения определенных частей тела. У парализованных людей двигательная кора часто остается неповрежденной, однако не может командовать телом, поскольку между нейронами и мышечными клетками утеряна связь. Джон Донохью, нейробиолог из Университета имени Брауна, решил помочь парализованным людям, получив доступ к сигналам их двигательной коры. Возможно, таких пациентов удастся научить печатать на компьютере или управлять механизмами исключительно силой мысли. Донохью годами совершенствовал имплантат и испытывал его на обезьянах. Когда он и его коллеги убедились, что это безопасно, они начали работать с людьми.
Одной из пациенток и стала Кэти Хатчинсон. В 2005 году хирурги Род-Айлендской клиники при Университете имени Брауна просверлили в ее черепе отверстие диаметром примерно в два с половиной сантиметра и ввели в мозг датчик созданного Донохью прибора. Датчик размером с божью коровку был оснащен сотней миниатюрных иголочек, которые, вонзившись в ткань двигательной коры, улавливали сигналы близлежащих нейронов. Пучок проводков, отходящий от датчика, сквозь отверстие в черепе ведет к металлическому разъему, установленному на макушке Хатчинсон.
Когда послеоперационная ранка зажила, исследователи из Университета имени Брауна соединили имплантат с кабелем, который передавал сигналы от мозга к тележке с компьютерами. Для начала исследователи научили эти компьютеры распознавать сигналы, исходящие из двигательной коры пациентки, и в соответствии с ними передвигать курсор по экрану. Это получилось с первой попытки, потому что ученые уже знали, как преобразовывать сигналы активности мозга в движения. Через два года они присоединили к компьютерам механическую руку, которая, повинуясь сигналам из мозга Хатчинсон, двигалась вперед и назад, поднималась и опускалась, сжимала и разжимала пальцы.
После нескольких тренировок Хатчинсон, компьютер и рука стали одной командой.
«Ощущение было совершенно естественным», — признается Кэти. Настолько естественным, что однажды она потянулась за чашечкой кофе, взяла ее, поднесла к губам и сделала глоток. «Улыбка Кэти, когда она выпила кофе… Это для меня важнее всего», — говорит Донохью.
Бионический мозг: инфографика
Люди, перенесшие травму позвоночника, не могут двигаться, потому что связи между их мозгом и телом больше не существует. Ученые надеются, что в будущем им удастся восстанавливать двигательные способности с помощью механического скелета, управляемого мыслями того, кто его носит. Это чрезвычайно сложная задача: чтобы пациент мог посылать экзоскелету команды, в его мозг необходимо имплантировать сотни датчиков. Кроме того, сигналы должны поступать и в обратном направлении, от чувствительных датчиков, дающих мозгу информацию о положении тела в пространстве.