Получить новые фундаментальные знания о головном мозге, а также предоставить фармкомпаниям полный комплекс услуг по доклиническому тестированию и оценке токсичности препаратов для центральной нервной системы позволит уникальная установка, которую создаёт группа учёных Нижегородского государственного университета им.
Н.И.Лобачевского. О новых приборах и новых методах исследования, которые приобретает отечественная нейронаука с помощью данного проекта, рассказывает профессор кафедры нейродинамики и нейробиологии университета Алексей Семьянов.
Алексей Васильевич, все ваши проекты связаны с изучением головного мозга. В вашем университете уже есть оборудование, позволяющее проводить исследования мирового уровня, а в прошлом году вы выиграли госконтракт на создание уникальной установки для исследования процессов в головном мозге с помощью оптогенетики. Расскажите, что и для чего вы создаете, и как все это поможет продвинуть нейронауку-
– Мы хотим понять принципы работы головного мозга, узнать, каким образом в нём кодируется и сохраняется информация, поступающая из окружающего мира. Для этого мы проводим исследования на разных уровнях – от молекулярного до поведенческого. Действительно, за последние 10 лет в Нижегородском Нейронаучном центре были созданы целые лабораторные комплексы, в которых есть всё необходимое для исследования клеточных процессов в мозге, включая изучение активности в астроцитах и нейронах.
В этих клетках мы исследуем электрическую активность, применяя электрофизиологические методы, и кальциевую динамику, применяя химические флуоресцентные индикаторы или генетически кодируемые флуоресцентные белки. Также у нас разработан комплекс поведенческих тестов, результаты которых помогают понять различные аспекты работы мозга, например, связанные с обучением и памятью.
Используя все эти подходы, мы можем получить новые фундаментальные знания о мозге, а также о том, что происходит с клетками мозга при развитии нейродегенеративных заболеваний, таких, как болезнь Альцгеймера или болезнь Паркинсона. Используя модели этих заболеваний на животных мы можем изучать действие на головной мозг различных лекарственных препаратов.
Но технологии не стоят на месте, как и наши коллеги в ведущих лабораториях мира, мы активно осваиваем оптогенетику: метод, в котором с использованием молекулярно-биологических подходов в клетки головного мозга вводятся специальные светочувствительные ионные каналы. Это позволяет использовать оптические методы не только для того, чтобы изучать, какие процессы происходят в головном мозге в норме или патологии, но и воздействовать на головной мозг светом.
Программно объединив оптическую регистрацию активности мозга и оптическую стимуляцию, мы создаем своего рода компьютерную обратную связь, интерфейс «мозг-компьютер» с клеточным разрешением. Воздействуя светом на нейроны или астроциты, мы можем оказать влияние не только на нормальное поведение, но и на течение того или иного заболевания. Например, если используя оптогенетический метод, активировать только тормозные нейроны в ответ на регистрацию судорожной активности, это позволит предотвратить эпилептический припадок.
В перспективе оптогенетика открывает очень широкое поле возможностей – от создания искусственных воспоминаний до изменения режимов работы головного мозга в терапевтических целях. Для запуска методов оптогенетики на нашей уникальной научной установке мы приобретаем дополнительное оборудование в рамках выигранного гранта.
Установка, которая должна быть создана в результате проекта, называется «уникальной». В чем состоит её главная особенность и ценность для науки-
– Она уникальна в своей комплексности. Большинство научных исследований проводятся лабораториями, оснащёнными одним, может быть, двумя методами. Но головной мозг – слишком сложная система, и подобные ограничения в её исследовании не могут принести полноценного результата.
Если мы изучаем тот или иной процесс в головном мозге, нам нужно понять все его аспекты, начиная с того, какие молекулы, клетки и структуры мозга в него вовлечены, и заканчивая тем, как данный процесс оказывает влияние на поведение, обучение и память.
Оборудование, которое используется в нашей установке, достаточно дорогое, мало кто может позволить себе в едином комплексе собрать весь этот набор. Даже ведущие мировые лаборатории вынуждены налаживать сотрудничество со своим коллегами, которые обладают комплементарными методами. Но если всё необходимое оборудование собрать в одной системе, многие научные задачи можно решить быстрее и эффективнее.
Ценность и уникальность нашей установки для науки в том, что с её помощью можно применить в исследованиях новые для нашей страны методы оптогенетики. Кроме того, установка предоставляет весь комплекс услуг как исследовательским группам, так и фармакологическим компаниям для комплексного изучения действия лекарственных препаратов, от оценки механизмов их действия на клеточном и молекулярном уровне, до оценки терапевтического эффекта на уровне целого организма.
Что в итоге должно появиться в вашем комплексе приборов, и как это будет использовано-
– У нас появятся дополнительные лазеры и сканирующие устройства для оптогенетической стимуляции. Они позволят нам активировать светочувствительные белки, которые мы будем вносить в специфические клетки головного мозга используя молекулярно-биологические методы. Таким образом, в рамках данного гранта мы приобретем не только оборудование, но и разработаем методики и препараты, необходимые для его применения. Нами будут созданы либо генетически модифицированные животные, либо вирусные конструкции, которые будут использоваться для внесения ДНК, кодирующей светочувствительные белки, внутрь клеток.
На каком этапе пути вы находитесь сегодня- Что вам уже удалось сделать по этому проекту-
– Мы уже начали получать дополнительное оборудования для дооснащения системы. Сейчас идет его интеграция и отладка. Мы также начали взаимодействие с нашими потенциальными партнёрами и заказчиками, которые могли бы использовать эту установку в своей работе, чтобы в перспективе она могла бы окупать себя, а мы имели возможность привлекать дополнительные средства для её развития и проведения собственных научных исследований. Мы сейчас активно работаем по всем этим направлениям и уже достигли определённых успехов. С нами сотрудничает целый ряд ведущих мировых университетов России, Германии, Великобритании, Швеции.
Как оцениваете предполагаемый интерес российского научного сообщества к работе на вашей установке-
– В настоящее время происходит фундаментальное изменение принципов работы современных научных лабораторий: научно-исследовательские комплексы всё больше усложняются, и на первый план выходит проблема обучение персонала.
Порой получается быстрее и дешевле заказать какие-то исследования у специалистов, чем покупать оборудование и готовить сотрудников самим. В данном контексте в России сложилась своеобразная ситуация. Государство выделяет серьёзные научные гранты для закупки оборудования, но лаборатории, получившие эти гранты, мало что публикуют по результатам исследований на приобретенных современных и дорогостоящих установках. Это связано с тем, что приобрести оборудование, имея деньги, можно сравнительно быстро, а обучение персонала для работы на нём может занять годы. Приходится отправлять сотрудников в какие-то другие лаборатории, где они могли бы приобрести необходимые навыки. Мы также начинали с того, что активно сотрудничали с зарубежными лабораториями, специализирующимися на похожих методах исследования; приглашали зарубежных коллег в наш институт, чтобы они нам помогали в развитии технологий на месте. На это потребовалось время.
Теперь мы рассчитываем на определенный интерес со стороны наших российских коллег. Они смогут использовать нашу научную установку как площадку для обучения своих сотрудников, и для того, чтобы сделать или заказать часть своей работы у нас, как мы это раньше делали в сотрудничестве с зарубежными коллегами.
Вы также рассматриваете перспективу коммерциализации результатов проекта. Что под этим подразумевается-
– У нашей уникальной научной установки есть сайт, где можно заказать проведение тех или иных научных исследований. Определенный интерес мы ожидаем от компаний, которые занимаются разработкой фармацевтических препаратов. Сейчас эта индустрия в России набирает обороты, и мы надеемся, что в течение ближайших нескольких лет появятся новые лекарства для лечения заболеваний, связанных с работой нервной системы. Здесь мы можем предоставить полный комплекс услуг по доклиническому тестированию, включая идентификацию молекулярных и клеточных механизмов действия препаратов, оценку их токсичности для центральной нервной системы, посмотреть, какое влияние они оказывают на поведение животных, оказывают ли ожидаемый терапевтический эффект. Кроме того, на коммерческой основе мы можем тестировать действие препаратов, не нацеленных на центральную нервную систему, например, противовирусных или противораковых, в целях идентификации их нейротоксичности.
По-вашему, в каком направлении будет двигаться в ближайшие годы нейронаука-
– Таких направлений много. Я бы выделил несколько ключевых направлений, которые нас интересуют в большей степени. Во-первых, то, за что присудили Нобелевскую премию в 2014 году, – обнаружение клеток места, нейронов, которые активируются в зависимости от местоположения животного. Это открытие дало толчок изучению клеточных механизмов кодирования пространственной информации в мозге. Перспектива развития данного направления в идентификации сетей нейронов, ответственных за кодирование и хранение разных типов информации в мозге. Еще это направление называют функциональной коннектомикой. Во-вторых, изучение взаимодействия между нейронами и астроцитами. Долгое время головной мозг рассматривался как большая сеть, состоящая из нейронов – электрически активных клеток, которые легко изучать, либо погружая электрод непосредственно в головной мозг, либо с помощью электроэнцефалографии. В связи с этим, большинство современных методов и представлений основаны на изучении электрической активности мозга. Но теперь стало очевидно, что в мозге существует ещё одна, примерно такая же, как и нейронная, по количеству клеток сеть – астроцитальная.
Астроциты не являются электогенными клетками, но обладают сложной кальциевой активностью, которая меняется в зависимости от поведения животного, и, по всей видимости, оказывает существенное влияние на работу нейронной сети. И наоборот – сеть нейронов оказывает влияние на активность астроцитальной сети. Использование оптических методов на нашей уникальной установке как раз позволяет изучать кальциевую динамику в астроцитах. Возможно, со временем ученые предложат и новые интерфейсы мозг-компьютер. Например, компьютер, который будет получать не только электрический сигнал с нейронов, как это делается в подавляющем большинстве современных интерфейсов, но и оценивать кальциевую динамику в астроцитах. Кстати, увеличение объема полезной информации, получаемой в интерфейсах мозг-компьютер, и использование этой информации в технических устройствах, например, для управления экзоскелетом, – это еще одно перспективное направление современной нейронауки.
Проект «Уникальная научная установка для исследования информационных процессов в головном мозге с использованием методов оптогенетики» поддержан ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014–2020 годы».
