Революция в голове. Как новые нервные клетки омолаживают мозг: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Бывает, что подтвердить эксперимент можно без лишних затрат, и это становится побочным результатом какой-нибудь совершенно другой работы, проводимой с иными целями; но в противном случае крупные открытия иногда подолгу никто не проверяет.

Здесь есть некоторое противоречие: все хотят получить доказательство, но никто не готов им заниматься или платить за это. Исследование Петера Эрикссона, в котором он описал нейрогенез взрослых у человека, – характерный пример такой ситуации. Больше не было пациентов, которым был бы введен БДУ, а если бы и были, исследование все равно потребовало бы слишком больших усилий, чтобы просто что-то подтвердить. Но и альтернативы не было.

Стволовые клетки в мозге человека

Значит, нужно было искать иные, косвенные свидетельства. Для начала требовалось показать, что в мозге взрослого человека тоже есть стволовые клетки, из которых могут образоваться новые нейроны. Мы уже видели, как сильно они в качестве аргумента способствовали тому, чтобы идея нейрогенеза взрослых вообще получила признание. Наличие стволовых клеток – необходимая предпосылка для данного процесса. Этого недостаточно: если мы видим такую клетку, это не значит, что она непременно превратится в нейрон; но ее присутствие говорит о такой возможности. Задача это совершенно нетривиальная. Где взять свежую, живую ткань человеческого мозга, из которой можно было бы выделить стволовые клетки?

Как всегда, когда речь идет о тканях и клетках человека, встают этические вопросы.

На самом деле можно попытаться выделить клетки из мозга умерших людей. По сути это ничем не отличается от донорства органов, хотя цель здесь другая. Любой может пожертвовать клетки своего мозга науке. В качестве органа для трансплантации он по понятным причинам не рассматривается (говорят также, что в этом случае речь шла бы о пересадке тела, поскольку именно мозг, а не все остальное туловище содержит личность).

Исследуя ткани мозга покойных, действительно удалось показать, что в гиппокампе и стенках желудочков у взрослого человека содержатся стволовые клетки^{14}. Но подобные эксперименты не только требуют деликатности («touchy», как сказали бы американцы). Это очень кропотливая работа, которая приносит скудные результаты. Стволовые клетки довольно прочные, но долго жить без питания и кислорода они все же не могут. То их малое количество, которое удается получить, оказывается очень неровного качества. Тем не менее был сделан еще один маленький шаг.

К счастью, есть более простой путь. Случается, что человеку приходится удалить часть гиппокампа. В силу анатомического строения при такой операции мы всегда получаем кусочек гиппокампа, в котором находятся стволовые клетки и из которого их можно выделить. Но зачем вообще кому-то может понадобиться такая процедура?

Судорожные припадки – одна из патологий мозговой деятельности, при которой внезапно возбуждается сразу большое количество нейронов. Преобладающий в нормальной ситуации нейрональный «шум» вдруг переходит в «грохот». В крайних случаях это состояние распространяется на весь мозг («генерализованный припадок»), что ведет к «большому припадку». Однако гораздо сильнее распространены более тонкие проявления. Если подобные припадки случаются часто, говорят об эпилепсии.

Существует вид эпилепсии, при котором судорожные припадки берут начало в гиппокампе. Эпилепсия считается очень распространенным диагнозом, но на самом деле он объединяет под собой множество совершенно различных заболеваний. Их общая черта – приступообразные эпизоды разряда нейронов. Обычно приступы проявляются в моторных явлениях, которые нам знакомы по «судорожным припадкам», но встречаются и совершенно иные симптомы, также в форме приступов, иногда и психического свойства. Вид симптома всегда зависит от того, где эпилепсия (или приступ) берет свое начало. Если это происходит в гиппокампе, они могут принимать очень сложные формы, поскольку он сам обладает сложными функциями. Эпилепсию с очагом в гиппокампе и прилегающих к нему областях называют височной, поскольку все это происходит в височной доле мозга. Контролировать такую эпилепсию может быть очень трудно. Большинство больных сегодня успешно получают медикаментозное лечение; многим при этом удается полностью свести приступы на нет. Но бывает, что никакие средства не действуют, и тогда приходит черед хирургов, которые удаляют очаг заболевания (его также называют «фокусом»). В частности, это случилось с пациентом H.M., только тогда такая операция была смелым единичным экспериментом, и отважный хирург, совершивший ее, еще не мог знать, что удалять оба гиппокампа ни в коем случае нельзя, иначе можно получить полную потерю способности к обучению. Человек прекрасно обходится одним гиппокампом, но без двух уже не справляется, поэтому в современной практике хирургического лечения эпилепсии больше одного гиппокампа никогда не удаляют.

Ткани, содержавшие очаг, хирург передает неврологу-патологу, чтобы тот проверил, не была ли причиной болезни опухоль, а ученые с согласия пациента могут использовать все остальное, чтобы получить стволовые клетки. Ведь без последних нейрогенез взрослых невозможен. Они составляют необходимое условие данного процесса, поэтому, когда доказали, что в человеческом мозге есть стволовые клетки, это послужило косвенным аргументом в пользу нейрогенеза взрослых.

С годами из исследований на мышах и крысах стало понятно, как именно развиваются нейроны во взрослом мозге. Чтобы выяснить, какие из так называемых маркеров, по выражению ученых, «экспрессируются» (синтезируются) в процессе нейрогенеза взрослых, помимо методической сноровки и терпеливости, требовалась сила воображения: на основании статичной картины, которую дает зафиксированный препарат ткани под микроскопом, нужно было определить процесс для использования в эксперименте. Маркеры – это особые молекулы, чаще всего белки (протеины), которые позволяют идентифицировать клетку или какое-то ее конкретное состояние. В ходе развития синтезируются самые разнообразные комбинации маркеров. Белки на каждой стадии и в каждом состоянии клетки выполняют узкоспециализированные функции. Из состава белков и их комбинаций можно сделать самые точные, детальные выводы.

Так, стволовые клетки, с которых начинается процесс клеточного развития, характеризуются работой определенных генов, именуемых генами стволовых клеток. Благодаря им такие клетки остаются недифференцированными, сохраняя возможность дальнейшего развития по любому пути[10]. Примеры таких генов – Sox2 и нестин. Кстати, в качестве названий генов используют странные обозначения, иногда совершенно фантастические, а иногда очень техничные; их часто употребляют в виде сокращений и аббревиатур. На самом деле это всего лишь названия, и не следует слишком задумываться об их возможных буквальных значениях. Как правило, они складываются исторически и часто сохраняются, даже если оказалось, что, помимо локализации или функции, давших гену имя, существует большое количество другой важной информации о нем или что они вообще определены неверно. Такие названия нужно воспринимать просто как обозначения, не следует пытаться интерпретировать их. Sox2 означает «SRY-box-containing gene 2» (ген, содержащий SRY-бокс 2), а SRY, в свою очередь, – это «sex-determining region Y» (определяющий пол регион Y). Даже для тех, кто постоянно имеет дело с данным геном и белком, который он кодирует, его название перестало быть интуитивно понятным или стало совершенно нечитаемым; при этом оно вообще не содержит никакого указания на то, что речь идет о важнейшем гене стволовых клеток.

Стволовые клетки предрасположены к делению, поэтому в них можно найти множество белков, связанных с этим процессом и с клеточным циклом. Готовому же нейрону они, как и множество другого белкового строительного материала, уже не нужны (даже если учесть, что некоторые белки ведут себя коварно и в зависимости от момента времени и от ситуации выполняют совершенно различные функции). В отличие от делящейся стволовой клетки, нейрон содержит все те белки, которые требуются, чтобы перерабатывать и передавать дальше электрическое возбуждение и выделять нейромедиаторы – они обеспечивают связь с соседней нервной клеткой. Клетка крови обладает иными свойствами, чем мышечная или костная, и, соответственно, каждой из них понадобится свой собственный набор всевозможных молекул; то же самое можно сказать о клетках одного и того же типа, но находящихся на разных этапах развития. Чтобы превратиться в нейрон, стволовая клетка проходит длинный путь, при этом ее свойства неоднократно коренным образом изменяются. По мере развития она все меньше становится похожа на стволовую клетку и все больше на нервную. Это сложный процесс, он подчиняется жесткой генетической программе. Поскольку здесь все очень четко определено, исследование белков, содержащихся в клетке, позволяет получить огромное количество информации.

Исследуя нейрогенез взрослых у мышей и крыс, ученые установили, что при образовании новых нервных клеток всегда присутствует белок под названием даблкортин, сокращенно DCX. Он синтезируется в течение некоторого времени, когда клетка выходит из фазы стволовой и начинается созревание нейрона. Этот белок, вероятно, играет некоторую роль в миграции клеток к месту назначения[11]. Он иногда описывается как своего рода дестабилизатор внутреннего скелета клетки («цитоскелета»). Цитоскелет обеспечивает относительную жесткость и помогает сохранять форму клетки. Если ген DCX в результате мутации не работает, в процессе развития коры нарушается миграция нейронов и возникает аномальное расслоение, «двойная кора», с которой и связано название белка[12]. В мозге взрослых особей DCX, вообще-то, встречается далеко не только в новых нейронах, но в «зонах нейрогенеза» он совершенно определенно связан с ними.

В результате DCX стали регулярно использовать как своего рода косвенный маркер нейрогенеза.

Это относительно надежно (хотя нельзя сказать, что всегда точно), а поскольку способов подтвердить наличие нейрогенеза взрослых у человека довольно мало, вскоре стали появляться многочисленные работы, в которых из присутствия в человеческом мозге DCX-положительных клеток исследователи делали порой очень глубокие выводы относительно данного процесса – например, что он может быть ослаблен при шизофрении. Здесь ученые попали в порочный круг, поскольку тогда еще не было подтверждено, что DCX в предполагаемых зонах нейрогенеза у человека обладает той же спецификой, что у мышей и крыс: для этого потребовалось бы как раз то самое доказательство, которое пытались обойти с помощью DCX как косвенного маркера (см. рис. 6 на вклейке)^{15}.

Впрочем, DCX – не единственный белок, который можно обнаружить при нейрогенезе взрослых. Используя этот факт, ученые вызвали синтез DCX в присутствии определенного состава других белков, который повышал вероятность того, что DCX действительно указывает в том числе на формирование нейронов и у взрослого человека тоже. Для этого использовали множество маркеров, присутствие которых удалось достоверно установить в процессе нейрогенеза у грызунов. Поскольку все эти белки – не просто маркеры, а имеют в основном совершенно конкретные функции в развитии нервных клеток и поскольку генетические программы реализуются в жестком порядке, было все менее и менее вероятно, что появление этих же сочетаний маркеров у человека говорит не о нейрогенезе, а о чем-то совершенно ином.

В результате подобных исследований накопилось множество косвенных признаков того, что, по крайней мере, в гиппокампе человека нейрогенез взрослых мог бы протекать точно так же, как у мышей и крыс. Были также очень убедительные, хотя и несколько умозрительные сообщения, например, о том, что, возможно, при шизофрении это явление ограничено. Поскольку методы использовались косвенные, а количественная оценка затруднена, очень сложно делать подобные заключения, но не следует безоговорочно отметать их на основании методологических сомнений. Такого рода сообщения продолжали подогревать эмоции. Что, если нарушения в нейрогенезе взрослых позволят объяснить одно из самых пугающих человеческих заболеваний? Все острее стояла необходимость в независимом подтверждении работ Эрикссона 1998 года.

Как нейробиологи бомбу полюбили

Средство, как это сделать, наметилось к 2005 году. Его опять нашли шведы. Йонасу Фрисену и его коллеге Кирсти Сполдинг из Каролинского института в Стокгольме пришла в голову идея, которую следовало бы назвать совершенно сумасбродной. Но самое безумное в ней было то, что в результате она сработала (см. рис. 6 на вклейке).

Возраст мумий, костей динозавра или произведений искусства, которые якобы созданы в Средние века, определяют с помощью так называемой радиоуглеродной датировки. В основе этого метода лежит радиоактивный распад углерода-14 (¹⁴C), обладающего большой энергией, до изотопа с низкой энергией – углерода-12 (¹²C).

Фрисен и Сполдинг решили использовать углеродную датировку, чтобы доказать существование нейрогенеза взрослых. Правда, вскоре стало ясно, что это едва ли возможно, потому что у атомов углерода слишком длинный период распада. И все же ученые сосредоточились на другом способе углеродной датировки, который они пусть и не открыли, но усовершенствовали (абсолютно потрясающим образом) настолько, что с его помощью удалось подтвердить нейрогенез в гиппокампе взрослого человека.

Земля постоянно находится под обстрелом космических лучей, но – к счастью – в нас из них попадают немногие. Когда эти лучи сталкиваются в атмосфере с атомами углерода (а в составе углекислого газа их там хоть отбавляй, как в последнее время все знают из разговоров о глобальном потеплении), обычные атомы углерода-12 (¹²C) получают дополнительную энергию и превращаются в углерод-14 (¹⁴C). Такое случается не слишком часто. Атом углерода в результате становится чуточку тяжелее, но это мало что меняет. В общем и целом космическое излучение очень стабильно, так что содержание ¹⁴C в атмосфере на протяжении тысячелетий было почти постоянным и всегда оставалось очень низким. На триллион атомов ¹²C приходится всего один атом ¹⁴C.

Однако с 1945 по 1963 год был еще один источник излучения, которое воздействовало на атомы углерода так же, как лучи из космических глубин. В течение этих восемнадцати лет проводили наземные атомные взрывы – в испытательных целях, за исключением двух бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки. При этом испытывали не только технику, но и действие жестов запугивания, на котором в годы холодной войны держался хрупкий баланс всеобщего страха. В 1963 году жарковато стало уже самим атомным державам, и Договор о нераспространении ядерного оружия положил конец наземным ядерным испытаниям. Вовсю продолжались подземные взрывы, но над землей, в атмосфере, содержание ¹⁴С к этому моменту уже выросло в тысячи раз по сравнению с предшествующими миллионами лет. С тех пор количество ¹⁴С в атмосфере быстро сокращается, но не из-за радиоактивного распада, а потому, что растения поглощают углекислый газ и используют содержащийся в нем углерод как строительный материал для стволов, ветвей, листьев и цветков. Кое-что также выпадает с дождями и уходит в землю. Через 50 лет после подписания Договора о нераспространении ядерного оружия основная масса ¹⁴C уже исчезла.

Таким образом, произошел резкий всплеск (рост и спад) в концентрации ¹⁴C, которая в течение многих лет до этого оставалась равномерной (и, будем надеяться, будет такой же впоследствии). Его можно сравнить с колебаниями при введении меченного радиоактивностью тимидина (как в исследованиях Альтмана, Ноттебома и Элизабет Гульд) или БДУ. Дело в том, что растения быстро поглотили углерод-14, а затем передали его животным и людям, которые употребляют их в пищу; люди также получают его от животных в виде мяса и колбасных изделий. Как мы уже говорили, при делении клетка дублирует свою ДНК, а в качестве строительного материала для этого она в конечном итоге использует углерод, и если уж ей попадется ¹⁴C вместо ¹²C, она его употребит. Для самого процесса никакой разницы нет, но новая ДНК после этого выглядит чуточку иначе. Когда ¹⁴C в атмосфере было больше, чем ¹²C, их соотношение в молекулах также было иным, чем до и после этого. Остается «просто-напросто» определить эту пропорцию в клетке, чтобы вполне точно сказать, когда она появилась относительно пика концентрации ¹⁴C в атмосфере, достигнутого в 1963 году. Звучит прямолинейно, но при реализации этой авантюрной затеи ученым пришлось продемонстрировать высший пилотаж. Что весьма необычно, их продвижение к успеху проходило на глазах научной общественности. Первая публикация, в которой был представлен данный метод, вышла в 2006 году и оказалась весьма сенсационной – а в ней авторы всего лишь доказали, что в новой коре головного мозга у человека новые нервные клетки не образуются^{16}. Что ж, это было интересно, но не слишком волнующе. Человеческий неокортекс имеет огромные размеры по сравнению с гиппокампом или обонятельной луковицей; настолько же проще исследовать ее, а не какую-либо из этих областей.

Сполдинг, Фрисен и их коллеги брали образцы мозга умерших людей (разумеется, с их предварительного согласия) и выделяли клетки. Они метили нейроны антителами к белку, который встречается только в их ядрах и называется NeuN (читается: «ной-эн»)[13]. Затем они пропускали отдельные клетки через так называемый сортировщик клеток, прибор FACS. FACS расшифровывается как Fluorescence-activated cell sorting (сортировка клеток с активированной флуоресценцией). Флуоресцентные маркеры, прикрепленные к антителам, распознающим белок NeuN, накапливаются только в определенных клетках – в данном случае тех, которые синтезируют этот белок, то есть только в нейронах. Струя жидкости с клетками пересекает лазерный луч, который заставляет светиться флуоресцентный маркер, фотоэлектрический умножитель считывает этот сигнал, и, в случае положительного сигнала, компьютер мгновенно активирует электрическое поле, отклоняющее струю раствора, содержащего отдельные клетки, безошибочно направляя NeuN-позитивные клетки по одной (!) в специально подготовленный отдельный приемник. Таким образом клетки сортируются, пока в конце концов в одной емкости не окажутся только нейроны, а в другой – все остальное. Даже организовать все это было непростым предприятием, хотя метод FACS уже много лет широко применяется в науке.

За этим следовал еще более сложный шаг. Выделение ДНК из нейронов – рутинная задача, но потом нужно было измерить в молекулах соотношение ¹⁴C и ¹²C. Как это сделать? С помощью масс-спектрометрии. Она позволяет установить распределение масс в смеси веществ. ¹⁴C совсем немного тяжелее, чем ¹²C. Сможет ли прибор измерить эту бесконечно малую разницу, зависит от его чувствительности. Быстро стало понятно, что обычный масс-спектрометр на это неспособен. Но в науке есть и другие вопросы, для ответа на которые требуется высокочувствительная масс-спектрометрия. Фрисен и Сполдинг стали искать такое устройство, и нашли, можно сказать, у себя же под боком – в Уппсале, ровно на 75 км к северу от Стокгольма. Обычный масс-спектрометр по размерам похож на персональный компьютер 80-х, но то, что построили в помещениях Уппсальского университета, скорее можно сравнить с ракетой «Сатурн-5» в горизонтальном положении. Это устроено так же, как кольца ускорителей в ЦЕРНе[14]: больше размер – выше чувствительность. Почти никакой другой масс-спектрометр не может сравниться по этому параметру с тем, что установлен в Уппсале (см. рис. 7 на вклейке).

Фрисен и Сполдинг разыграли захватывающий спектакль. С 2005 года весь мир знал, чего они добиваются и как собираются это устроить, но они не спешили раньше времени публиковать данные по гиппокампу. Ученые могли пойти на этот риск. Конкуренты, возможно, и хотели бы нанести им удар их же собственным оружием, но столкнулись бы с практически непреодолимыми препятствиями: во-первых, им недоставало опыта и знаний о методе, во-вторых, еще пришлось бы убеждать физиков из Уппсалы предоставить свою машину в распоряжение конкурирующему предприятию. Сценарий был безупречный. Для начала Фрисен и Сполдинг сообщили в печати, что в обонятельной луковице у человека, по всей вероятности, нейрогенез взрослых отсутствует. А затем наконец в 2013 году вышла долгожданная статья о гиппокампе^{17}. В ней ученые проанализировали образцы тканей, взятые после смерти более чем у пятидесяти человек. Было четко установлено: гиппокампальный нейрогенез взрослых у людей тоже существует.

Работа вышла в журнале Cell. Исследователи не ограничились тем, чтобы просто подтвердить гипотезу новыми средствами, – они предприняли следующий шаг, а именно попробовали выполнить количественную оценку, причем успешно. Для этого пришлось разработать сложные математические модели. В результате выяснилось, что в течение жизни образуется около трети клеточных ядер в гиппокампе человека. Высказанное уже в работе Эрикссона предположение о том, что людям гиппокампальный нейрогенез взрослых свойственен не меньше, а скорее больше, чем мышам и крысам, подтвердилось.

[10] Стволовые клетки – недифференцированные клетки, которые способны делиться, образуя новые стволовые клетки, и дифференцироваться, то есть приобретать специализированный фенотип, позволяющий выполнять специализированные функции, например нейрональные. Дифференциация является в большинстве случаев однонаправленным процессом. Клетки поэтапно теряют возможность (потентность) к превращению в другие типы клеток. Оплодотворенная яйцеклетка и образующиеся в ходе ее первых делений бластомеры наименее дифференцированы и могут образовывать все ткани как самого эмбриона, так и трофобласта (необходимого для имплантации и формирования плаценты). Такие клетки называют тотипотентными. По мере дальнейшей специализации возможности формирования разных типов клеток сильно ограничиваются. Плюрипотентные клетки эмбриона уже не способны сформировать ткани плаценты, мультипотентные могут формировать только клетки определенного набора тканей, олигопотентные специализируются лишь в близкие по свойствам клетки, а унипотентные, называемые также клетками-предшественницами, могут дифференцироваться исключительно в какой-то один тип клеток.

[11] Жестко заданная форма и возможность миграции (движения) клетки взаимно исключают друг друга. Поэтому для осуществления миграции цитоскелет должен быть определенным образом дестабилизирован. См. также: Moon H.M., Wynshaw-Boris A. (2013, March – April). Cytoskeleton in action: lissencephaly, a neuronal migration disorder // Wiley Interdisciplinary Reviews: Developmental Biology, 2 (2). P. 229–245.

[12] Слово «даблкортин» образовано от англ. «double» – «двойной» и «cortex» – «кора». – Примеч. перев.

[13] Расшифровывается как «нейрональный ядерный антиген». – Примеч. перев.

[14] ЦЕРН – Европейская организация по ядерным исследованиям. – Примеч. перев.