Мозговая "ломтерезка"

Современное лабораторное оборудование позволяет изучить мозг человека слой за слоем.
Фото PhotoXPress.ru

По аналогии с привычными теперь понятиями «геном» и «протеом», совокупность всех выявленных связей между клетками организма получила в последнее время название «коннектом» (с ударением на последнем слоге). Это непривычное еще слово образовано от английского connect – связывать, соединять. «Нектерами» латиняне называли ремешки, удерживающие волосы на голове, и сандалии на ногах, а также бинты, которыми обматывали мумии (после завоевания Октавианом Августом римляне переняли египетский обычай мумифицировать умерших).

Пионерами создания первого коннектома мышиного мозга стали специалисты Национальной лаборатории оптоэлектрических наук и технологий в китайском городе Вухань. Они исходили из известного принципа, согласно которому нейроанатомия служит базой для понимания функций мозга и их расстройств. Классические методы имеют свои ограничения, поэтому китайские ученые разработали технологию микроскопической томографии (МОSТ). Для этого мозг пятинедельного самца пропитали растительной смолой, при застывании которой он обретает плотность, оптимально подходящую для резания алмазным ножом. С его помощью получали срезы толщиной не более одного микрометра (10–6 м).

Микроскопические картины 15 380 срезов мозга с окрашенными нервными клетками и их отростками оцифровали, получив восемь терабит ценнейшей информации. Построенная с ее использованием трехмерная карта показывает положение нейронов, а также «сетевые» особенности соединения аксонов (отростков нервных клеток). Вся эта картина и получила название «коннектом».

Так, в мозжечке, отвечающем за пространственную ориентацию, названные в честь чешского нейроанатома клетки Пуркинье, подобно стикерам, буквально липнут друг к другу, что помогает этим нейронам поддерживать наше равновесие. Научный мир отметил серьезный объем данных о коннектоме мышиного мозга и то, что специалистам из Вуханя удалось построить систему, слой за слоем просматривающую мозг в автоматическом режиме, заложив тем самым базу для дальнейших фундаментальных исследований.

Тут уместно вспомнить, что у Ленина после инсульта отказала правая сторона тела и к тому же он потерял способность говорить. Произошло это в результате гибели соответствующих нейронов соматомоторной области коры, следствием чего стало отсутствие управляющих сигналов, посылаемых по аксонам. Вызванный из Берлина профессор О.Фогт организовал в Москве Институт мозга, в котором «порезал» изъятый на секции мозг вождя, получив при этом две с половиной тысячи срезов. В мае 1934 года сотрудники института сообщили московскому партактиву, что у Ленина отмечается необычайно богатое ветвление нейронов третьего слоя лобной коры, что, по всей видимости, и предопределило гениальность одного из трех братьев Ульяновых. Кстати, если говорить о выносе тела Ленина из Мавзолея, то следует помнить, что орган его недюжинного интеллекта давно «закатан» в парафин и «располосован» на гигантском микротоме┘

А вот уже в наши дни Джефф Личтман, профессор клеточной и молекулярной биологии Гарвардского университета, задался целью получить коннектом человеческого мозга с помощью электронного микроскопа, что даст, естественно, более детальную 3D-карту мозга с невиданной до сих пор точностью «привязки» не только на местности, но и в пространстве. Личтман возглавляет пока еще небольшую когорту специалистов, создающих на наших глазах новую науку – коннектомику. На развитие этого направления Национальный институт здоровья (NIH) отпустил в прошлом году 40 млн. долл. По аналогии с проектом по прочтению генома человека новая программа получила название Нuman Connectome Project («Проект человеческий коннектом»).

Пока что Личтман отрабатывает технологию, получая срезы мышиного мозга толщиной в несколько десятков нанометров, помещая их затем в камеру электронного микроскопа. Задача получения мышиного коннектома на электронном уровне не такая уж и простая, если учесть, что число мышиных нейронов оценивается в 100 млн. (у человека не меньше 100 млрд.). Коллеги ученого сравнивают его работу с попыткой проследить «извивы» каждой макаронины в большом блюде спагетти┘

До сих пор ничего подобного невозможно было себе просто вообразить. Достаточно сказать, что оцифровывание субмикроскопической информации, полученной при рассмотрении электронограмм одного кубического мм мозговой ткани, потребует петабайт хранения (в Facebook подобный объем информации приходится на 40 млрд. фото). Задача поражает не только своей грандиозностью, но также и кажущейся практической бесполезностью. Однако ученый сразу легко «отрабатывает» – по крайней мере на словах – полученный грант: «Подобная информация имеет огромное значение для нейрохирургов, которые постоянно вынуждены проводить операции по поводу той же эпилепсии. При подобного рода операциях очень важно не трогать серое вещество, ограничиваясь только белым».

Критики столь грандиозного проекта подчеркивают, что коннектом мозга чрезвычайно подвижен, поскольку в мозге все время идет процесс образования новых связей и обрывания старых. Поэтому практическую ценность представляет собой только коннектом в его динамике, что с помощью электронного микроскопа недостижимо. Картина будет статичной – эдакий замороженный во времени срез. Например, сотрудники Нью-Йоркского университета доказали, что память связана с образованием особых выростов – «шипиков» – на дендритах нейронов, которые со временем, по мере угасания памяти, исчезают. К тому же стоимость проекта, особенно в кризисные времена, чрезвычайно высока.

Лаборатория Личтмана располагается в подвале, чтобы наземные вибрации не мешали получать равномерные срезы толщиной 30 нанометров (3х10–8 м). Напомним, что размер «моторного» нейрона достигает 150 микрон – он виден невооруженным глазом, то есть 150 тыс. нанометров. В Гарварде, как и в Вухани, для получения столь тонких срезов тоже используют алмазный нож. Расправление тончайших пленочек происходит за счет сил поверхностного натяжения воды, после чего они переносятся на поверхность пластика, а затем и на прозрачный кремниевый чип, легко пробиваемый электронным лучом. Полученные электронограммы перебрасываются затем в компьютер, на дисплее которого срез за срезом прослеживается ход аксонов и дендритов, а также реконструируется тело нервной клетки.

О масштабе работы говорит то, что только на обработку 7 тыс. изображений коры мышиного мозга уходит три рабочих дня. Доктор Личтман признается, что классическая электронная микроскопия при достаточном уровне автоматизации процесса не занимает много времени и усилий: «Гораздо больше времени уходит на имиджинг, то есть построение «разумных» картинок, потому что разобраться порой в хитросплетениях нервных отростков бывает нелегко». Если не произойдет ничего эпохального, то на получение мышиного коннектома уйдет несколько лет.

Нейробиологи надеются, что коннектом станет тем чертежом, который многое прояснит. По крайней мере специалисты Исследовательского института имени Дж.Солка в калифорнийском городе Ла Джола в сотрудничестве с учеными Краковского университета создали коннектом сетчатки глаза макаки.

А ведь так хочется узнать, какие и сколько связей нервных клеток необходимо для сознания-когниции, не говоря уже о нервных и психических расстройствах. Скептикам же можно указать на их неверие в нужность и необходимость прочтения генома человека, а затем и мыши, шимпанзе и многих других организмов. Мы далеко еще не знаем функции многих тысяч генов, а также тех участков ДНК, которые вроде бы не несут информацию о синтезе белков. Но прочтение генома подхлестнуло развитие геномики и секвенирования, что значительно ускорило прогресс в этой области. Нечто похожее может случиться и в коннектомике, хотя, конечно же, пока это перспектива многих лет...