Зондирование мозга при помощи оптогенетики

Описанные эксперименты по управлению сознанием проводились в основном еще в то время, когда мозг представлялся загадкой, а методики вырабатывались путем проб или ошибок, и далеко не всегда удачно. Однако взрывное развитие аппаратуры для зондирования мозга дало нам новые возможности, которые должны помочь, с одной стороны, разобраться в устройстве и функционировании мозга, а с другой – научиться управлять им.

Оптогенетика, как мы уже видели, – это одно из наиболее динамично развивающихся направлений современной науки. Основная ее цель – определить точно, какой нервный путь соответствует тому или иному поведению. Оптогенетика начинается с гена под названием опсин[17], достаточно необычного тем, что он чувствителен к свету. (Считается, что с появлением этого гена сотни миллионов лет назад связано возникновение первого глаза. Согласно этой теории, простой клочок кожи, чувствительной к свету благодаря опсину, со временем эволюционировал в сетчатку глаза.)

Если внедрить ген опсина в нейрон и осветить, нейрон сработает. Щелкнув выключателем, можно мгновенно определить нейронный путь, отвечающий за определенное поведение, поскольку белки, которые вырабатывает опсин, проводят электричество, – и нейрон сработает.

Однако трудность в том, чтобы точно внедрить этот ген в конкретный нейрон. Для этого используется технология, заимствованная из генной инженерии. Ген опсина внедряется в безвредный вирус (из которого удалены все опасные гены); потом при помощи предельно точных инструментов этот вирус вводится в конкретный нейрон. Затем вирус уже сам заражает нейрон, внедряя свои гены в его ДНК. В результате, когда на нервную ткань направляют луч света, этот нейрон включается. Таким образом можно установить точный маршрут, по которому проходят определенные сообщения.

Но оптогенетика не только определяет нервные пути, освещая их, она позволяет ученым управлять поведением подопытных. Этот метод оказался успешным. Ученые давно подозревали, что за то, что плодовые мушки улетают от опасности, отвечает какой‑то простой нейронный контур. Оптогенетические методы позволили наконец определить, какой именно. Теперь достаточно осветить мушек, чтобы они снялись с места и дружно улетели.

Кроме того, ученые теперь могут лучом света заставить червя прекратить извиваться, а в 2011 г. был достигнут еще один прорыв. Ученые из Стэнфорда сумели внедрить ген опсина в точно заданный участок мозжечковой миндалины мыши. Эти мыши были специально выращены робкими и всегда сидели, съежившись, в уголке своей клетки. Но когда пучок света вспыхивал в мозгу такой мыши, она внезапно теряла робость и начинала исследовать свою клетку.

Из этого эксперимента можно сделать далеко идущие выводы. Если поведение дрозофил может быть основано на простом рефлекторном механизме, в котором задействована горстка нейронов, то мышь обладает полноценной лимбической системой, аналог которой имеется и в человеческом мозге. Хотя многие эксперименты, успешно работающие с мышами, не переносятся на людей, существует все же вероятность, что когда‑нибудь ученым удастся отыскать конкретные нервные пути, связанные с определенными психическими заболеваниями, а затем и научиться лечить их без каких бы то ни было побочных эффектов. Как говорит доктор Эдвард Бойден из МТИ, «если вы хотите выключить какой‑то контур мозга, а альтернативой этому служит хирургическое удаление участка мозга, то имплантация оптоволокна может показаться предпочтительной».

Одно из первых практических применений оптогенетики связано с лечением болезни Паркинсона. Как мы уже видели, ее можно лечить при помощи глубокой стимуляции мозга, но, поскольку мы не умеем пока размещать электроды в мозгу с достаточной точностью, всегда остается опасность инсульта, кровотечения, инфекции и т. п. Глубокая стимуляция мозга может также вызвать побочные эффекты, такие как головокружение и бесконтрольное сокращение мышц: ведь электроды могут случайно стимулировать и другие нейроны. При помощи оптогенетики можно улучшить метод глубокой стимуляции мозга, определив точно на уровне отдельных нейронов, какие нервные цепи срабатывают не вовремя.

Не исключено, что жертвам паралича эта новая технология тоже будет полезна. Как мы видели в главе 4, уже проводились опыты по подключению парализованных людей к компьютеру как средству управления механической рукой, но, поскольку тактильные ощущения у человека при этом отсутствуют, он часто роняет или ломает предметы, который хочет взять. «Передавая информацию с размещенных на кончиках пальцев протеза датчиков непосредственно в мозг при помощи оптогенетических методов, можно в принципе обеспечить высокоточное чувство прикосновения», – говорит доктор Кришна Шеной из Стэнфорда.

Кроме того, оптогенетика поможет прояснить вопрос о том, какие нервные пути связаны с поведением человека. Уже готовы планы экспериментов с этой технологией на человеческом мозге, в первую очередь в связи с лечением болезней психики. Разумеется, препятствий впереди немало. Во‑первых, технология требует вскрытия черепа, а если нейроны, которые намечено исследовать, расположены глубоко в толще мозга, то и более травмирующей процедуры. Наконец, в мозг необходимо вживить тонкие волокна, через которые можно будет осветить модифицированные нейроны и запустить таким образом желаемое поведение.

После того как нейронные пути расшифрованы, вы можете их стимулировать, заставляя животных вести себя по меньшей мере странно (например, мыши будут бегать кругами, пока вы их не остановите). Ученые только начинают трассировку нервных путей, управляющих простым поведением животных, но в будущем, вероятно, появится целая энциклопедия подобных схем поведения, в том числе и человека. Однако, попав не в те руки, оптогенетика может быть использована для управления поведением человека.

В целом положительные стороны оптогенетики значительно перевешивают ее отрицательные стороны. Оптогенетика может буквально вскрывать перед учеными нервные пути мозга, позволяя помогать тем, кто страдает от проблем с психикой и других болезней. Возможно, когда‑нибудь это даст ученым инструменты, при помощи которых можно будет исправлять нанесенный ущерб, а возможно, и излечивать болезни, которые прежде считались неизлечимыми. Таким образом, в ближайшем будущем от оптогенетики следует ждать только благ. Но в более отдаленной перспективе, когда будут изучены пути, определяющие человеческое поведение, оптогенетику можно будет использовать для управления поведением человека или по крайней мере для его изменения.