Уже третий год подряд мы наравне с крупными научными журналами составляем свой тематический рейтинг самых прорывных публикаций о нейронауках, которые выходили за предыдущий год.
Прорывных – получивших не самое большое количество просмотров, а тех, которые будут иметь важное значение для будущего этой области знаний. И сейчас мы хотим познакомить вас с первой частью рейтинга, посвященной новым методам визуализации, диагностики и лечения – чему мы научились в 2020-м.
Создали рабочую модель аутизма
Долгое время существовала проблема в отсутствии адекватных моделей аутизма, близких к человеку. Дело в том, что мозг грызунов, на которых изучается большинство заболеваний, включая расстройства аутистического спектра (РАС), организован гораздо проще, чем мозг приматов, включая человека. Особенно это касается префронтальной коры – ключевой области мозга, задействованной в патогенезе заболеваний аутистического спектра. Поэтому создающиеся препараты, направленные на коррекцию симптомов РАС, проваливаются в ходе клинических испытаний.
И, наконец, в 2020-м году появилась новость о том, что удалось создать рабочую модель на макаках – нечеловекообразных обезьянах, тем не менее гораздо более близких к человеку по организации префронтальной коры и нейронных связей между ключевыми областями мозга. Китайские и американские исследователи использовали технологию редактирования генома CRISPR, чтобы вставить в геном эмбрионов дефектный ген Shank3, имеющий одну из сильнейших ассоциаций с аутизмом. В итоге они получили животных и с поведенческими, и с визуализационными характерными признаками заболевания.
Научились делать мозг прозрачным по новой технологии SHANEL
В руках нейроученых (да и не только их) появился новый инструмент для эффективного изучения анатомии и создания потрясающих трехмерных визуализаций для картирования с молекулярным разрешением. Назвали его SHANEL, что стало сокращенным наименованием процедуры Small-micelle-mediated Human orgAN Efficient clearing and Labeling. Если перевести на русский, то процедура будет называться эффективным «опрозрачиванием» и разметкой человеческого органа посредством маленьких мицелл.
Суть технологии в том, что старые ткани теряют проницаемость и становятся жесткими, что усложняет их изучение. С помощью метода CHAPS образуются мелкие мицеллы, позволяющие повысить проницаемость органов, а новая методика SHANEL позволяет «опрозрачивать» целые человеческие органы и наносить молекулярные метки на глубину до сантиметра, которые становятся видимыми при световой микроскопии.
Воспроизвели гемато-энцефалический барьер «на чипе»
Гемато-энцефалический барьер (ГЭБ) – важнейший защитник нашего мозга от негативного влияния тех веществ или микроогранизмов, которые могут попасть в кровь. Тем не менее иногда он мешает, не позволяя проникнуть лекарственному препарату к очагу поражения (например, опухоли). Поэтому для изучения свойств разрабатывающихся лекарств и методов «вскрытия» ГЭБ необходимо иметь модель – простую и при этом эффективно имитирующую все основные свойства.
Такая модель также появилась в прошлом году. Ученые смогли очень точно воспроизвести «на чипе» мимикрию структуры и функции ГЭБ со всеми клеточными взаимодействиями, ключевыми экспрессиями генов, низкой проницаемостью «как в оригинале» и трехмерной астроцитарной сетью с уменьшенным реактивным глиозом и поляризованным распределением аквапорина-4 (AQP4).
Напечатали нейроимпланты на 3D-принтере
У существующих нейроимплантов имеется достаточно много проблем, которые делают их и не слишком эффективными, и чересчур дорогими. Поскольку 3D-принтинг активно набирает обороты, то можно было бы многократно упростить технику создания имплантов, если бы удалось создать подходящие «чернила», обладающие благоприятными электрическими и механическими свойствами, стабильностью и биосовместимостью.
И такие «чернила» удалось получить. Ими стал жидкий проводящий полимер (3,4-этилендиокситиофен) полистиролсульфонат (PEDOT: PSS). Эксперименты на животных показали, что микроэлектроды из этого материала, напечатанные на 3D-принтере, обладают хорошей биосовместимостью и успешно записывают непрерывную нейронную активность мозга свободно движущейся мыши. Таким образом, исследователи продемонстрировали изготовление гибкой электронной схемы высокой плотности на основе 3D-печати и мягкого нейронного зонда легким, быстрым и значительно упрощенным способом.
Оптогенетически восстановили зрение и проверили на живом организме
Попытки восстановить потерянное зрение при погибших фоторецепторах сетчатки ведутся постоянно. Один из многообещающих подходов – оптогенетическая терапия, когда светочувствительные белки, похожие на те, что есть у фоторецепторов, встраиваются в другие клетки сетчатки – например, ганглионарные нейроны. Однако очень сложно полученные результаты на животных моделях переносить на человека по нескольким причинам, в том числе и потому, что эффективность процедуры оценивается с помощью регистрации электрического ответа клеток лишь в удаленной ткани, что несовместимо с жизнью животного.
Исследователи придумали, как можно анализировать работу оптогенетически измененных клеток сетчатки in vivo – в живом организме. Они объединили адаптивную оптическую сканирующую световую офтальмоскопию (AOSLO) и кальциевую визуализацию (она дает понять, когда клетка активируется). Как показали опыты на живых макаках, технология работает – ученые успешно получают зрительные сигналы от ганглионарных клеток, которые по своим свойствам практически полностью соответствуют сигналам от фоторецепторов.
Светом возвратили слух…
Еще одно важное достижение на основе оптогенетики – оптический кохлеарный имплант на базе светодиодных ламп. Исследования на крысах и песчанках показали, что устройство может безопасно восстановить слух с гораздо более хорошим качеством сигнала. Подход, основанный на использовании света, позволил более точно передавать сигналы по слуховой части вестибуло-кохлеарных нервов по сравнению с нынешними имплантатами на основе электрической стимуляции, которые обладают низким качеством звука.
…и светом воспроизвели движения у макаки
Сложнейшую задачу по испытанию технологий оптогенетики на макаках также удалось решить в предыдущем году. Попытки применить их на приматах ранее были, но их нельзя назвать успешными. Очередной рывок в этом направлении сделали японские исследователи. Они разработали адено-ассоциированный вирусный вектор для встройки светочувствительного белка родопсина-2 и точечно ввели его в область первичной моторной коры у макак, которая отвечает за контроль мышц рук. Кроме того, специально для эксперимента ученые придумали инструмент оптрод, который мог одновременно записывать активность нейронов коры мозга, генерировать световое излучение и отдельно производить электрические импульсы.
Эксперименты показали, что белки канального родопсина нормально встроились в мембраны нейронов и под воздействием даже небольших вспышек света начали генерировать длительные и повторяющиеся потенциалы действия. Наблюдающиеся при этом мышечные сокращения были абсолютно сопоставимы с теми, которые вызывались электрической стимуляцией.
Провели нервный импульс через Интернет
Весьма любопытный эксперимент провела международная группа исследователей: живой и два искусственных нейрона объединили в систему и обменялись электрическим импульсом, полностью моделирующим по характеристикам настоящий потенциал действия. При этом искусственные нейроны находились в Цюрихе, живые – в Падуе (Италия), а мемристоры, имитирующие такое свойство биологического синапса, как долговременная потенциация – в Саутгемптоне.
Прочли активность мозга у двух людей одновременно
Социальные взаимодействия – важнейший компонент в жизни людей, и с этим фактом сложно поспорить. Однако, существует не так много способов, чтобы достоверно изучать активность мозга людей в сам момент коммуникации. Есть данные, что во время общения мозговая активность людей буквально синхронизируется, и финские исследователи придумали, как можно это увидеть буквально в режиме реального времени.
Они создали специальную катушку для проведения функциональной магнитно-резонансной томографии, которая позволила регистрировать сигналы одновременно у двух людей, помещенных в томограф. Исследователи считают, что подобный усовершенствованный инструмент позволит лучше изучать социальные взаимодействия между людьми. Но, конечно, пока что нужны дополнительные технические улучшения, чтобы повышать соотношение сигнал/шум и качество изображений.
Научились читать активность глубоких слоев мозга в движении
Существующие методы визуализации активности мозга свободно двигающихся животных не позволяют заглянуть слишком глубоко, давая исследователям возможность изучить лишь работу поверхностных слоев коры. Созданный в 2009 году «двухфотонный волоконноскоп» стал прорывом в измерении мозговой активности перемещающихся грызунов, но большинство важных кортикальных слоев так и остались вне досягаемости.
Нейробиологи и физики из Германии создали новое устройство, которое позволяет считывать активность свободно движущегося животного «на всю глубину» коры головного мозга. Новый трехфотонный микроскоп может сильно продвинуть науку в исследовании нейронных цепочек, которые ответственны за поведение и когнитивные функции.
Научили незрячих различать буквы с помощью электрической стимуляции мозга
«Розовая мечта» всех исследователей, которые пытаются восстановить ту или иную утраченную функцию у пациентов – так подобрать электрические импульсы, которыми можно влиять на мозг, чтобы полностью воссоздать потерянное чувство. Однако, попытки, например, стимулировать зрительную кору для возвращения незрячим людям способности видеть не были неэффективными в течение последних 20 лет.
Ученые из Техаса, наконец, разобрались, почему не удавалось достичь нужной цели. Все потому, что импульсы, например, соответствующие той или иной букве, подавались одновременно, и мозг был не в состоянии их воспринять и перевести в образ. Последовательное воспроизведение импульсов на зрительной коре позволило сформировать картинку, подобно тому как мы представляем букву, начерченную на руке. А варьирование силы тока в двух близлежащих электродах привело к формированию так называемого «виртуального» электрода. То есть испытуемые смогли видеть не последовательность отдельных вспышек, а сигнальный трек.
Это открытие имеет серьезнейший потенциал для использования в сфере реабилитации.
Придумали, как превратить мозг в COSMOS
Новую исследовательскую технологию визуализации активности клеток в мозге назвали весьма поэтично – COSMOS. Хотя, как и многие другие названия, это – лишь аббревиатура Cortical Observation by Synchronous Multifocal Optical Sampling. Метод основан на использовании бифокального микроскопа, аналогичного бифокальным очкам, которые можно применять для фокусировки на изогнутых поверхностях. Одна из камер такого микроскопа сфокусирована на центральной части мозга, тогда как другая направлена на его боковые стороны. При этом запись нейронной активности ведется одновременно, что обеспечивает параллельный сбор информации.
Методика позволила исправить баг, связанный с естественным искривлением поверхности мозга, и дала возможность наблюдать за одновременной активностью нейронных сетей в масштабах всего органа.
Восстановили клетки спинного мозга в живом организме
А вот и прорыв с участием российских ученых. Ученые из СПбГУ совместно с исследователями из Каролинского института (Швеция) впервые показали, что внутри живого организма млекопитающего возможно направленное создание клеток центральной нервной системы, которые будут выполнять свои обычные функции и восстанавливать поврежденный спинной мозг при травмах.
Исследователи выяснили, что клетки выстилки центрального канала спинного мозга можно трансформировать в олигодендроциты. Именно они, оборачивая свои отростки вокруг аксонов нервных клеток, формируют так называемые миелиновые оболочки – особый «изоляционный материал», который способствует быстрому распространению нервных импульсов в центральной нервной системе.
Создали микророботов, которые помогут восстанавливать связи между нейронами
И еще одна работа, которая тематически тесно связана с предыдущей. При повреждении нейронных структур возникает частая проблема неправильного роста аксонов, из-за чего связи между нервными клетками восстанавливаются некорректно, и это мешает правильному функционированию всей системы.
Исследователи из Южной Кореи создали управляемых магнитными полями микророботов, на поверхности которых расположены микроборозды, направляющие отростки нейронов в нужное место. Обладая высокой точностью перемещения в пространстве, крошечными размерами, слабым безвредным источником питания и не воздействуя негативно на окружающие ткани, микроробот приобретает большой потенциал в широком количестве клинических задач.
Запустили клинические испытания по лечению болезни Паркинсона инфракрасным светом
В прошлом году во Франции стартовало исследование, в котором исследователи попытаются уменьшить симптомы болезни Паркинсона у пациентов с помощью инфракрасного света. Лечение будет длиться четыре года, после чего, возможно, станет ясно, сможет ли наука, наконец, найти «безболезненное» решение для этой неизлечимой нейродегенеративной болезни.
Добавили к нейроинтерфейсу искусственный интеллект
И завершает нашу подборку исследование коллектива авторов Лаборатории прикладной физики (APL) Университета Джонса Хопкинса, за которым мы следим уже не первый год и об успехах которого ежегодно упоминаем в рейтинге нейропрорывов. В 2020-м ученые добавили к программному обеспечению двустороннего интерфейса мозг-компьютер с обратной связью (то есть пациент может получать тактильную информацию от протеза) искусственный интеллект! Он должен упростить обучение нейроинтерфейса стандартным действиям типа вытягивания руки, сжимания пальцев и мелкой моторики, предоставив пользователю выбор более насущных деталей: какую пищу съесть, где нарезать, какой именно кусочек взять с тарелки и так далее.
Подготовила: Анна Хоружая