Водорості та світло навчили науковців керувати мозком. Наступний крок — боротьба з депресією і Альцгеймером. Розповідаємо про Нобелівську премію, яку присудили за розгадку таємниць нервових клітин

1

З античних часів вчені намагались зʼясувати, як працює головний мозок, і в XX столітті досягли значних успіхів: визначили, які ділянки мозку відповідають за конкретні функції, як-от рух, мовлення, зір тощо. Проте всередині кожної такої ділянки перемішані різні типи нервових клітин, які можуть виконувати зовсім різні, іноді навіть протилежні завдання. Тодішні методи не дозволяли швидко ввімкнути лише один потрібний тип клітин і подивитися, що станеться. Тому вчені бачили звʼязок між активністю мозку і поведінкою, але не завжди могли довести, що саме ця активність спричинила певний рух, відчуття або емоцію.

Серед тих, хто мріяв про точніші дослідження, був британський біолог Френсіс Крік. Він прославився тим, що в 1953 році разом із Джеймсом Вотсоном запропонував модель подвійної спіралі ДНК, а згодом почав досліджувати механізми свідомості. Крік вважав, що для розуміння роботи мозку потрібно навчитися швидко активувати або вимикати окремі типи нейронів. Нейрони обмінюються сигналами за лічені мілісекунди, тож інструмент мав працювати так само швидко. Крік припустив, що найкраще для цього підійде світло. Якби певні нейрони можна було зробити світлочутливими, дослідники змогли б вмикати їх короткими спалахами. Тоді це виглядало фантастикою.

2

На початку 1990-х німецький біофізик Петер Гегеманн зацікавився тим, за рахунок чого одноклітинна водорость хламідомонада швидко реагує і пливе до світла, яке їй потрібне для фотосинтезу. Гегеманн підʼєднав до водорості мікроскопічні електроди й побачив, що вже за 0,5 мілісекунди після спалаху світла в клітині виникає електричний сигнал. Для порівняння: у людському оці світло перетворююється на електричний сигнал щонайменше за 10 мілісекунд.

У звичайних фоторецепторних системах, як у людини, працює ланцюжок: один білок ловить світло й активує ферменти, які активують інший білок — іонний канал (своєрідний тунель, крізь який протікають електрично заряджені частинки, що викликають сигнал в клітині). Учений припустив: якщо у хламідомонади така швидка реакція, це означає, що ланцюжка немає — один і той самий білок одночасно вловлює світло та є іонним каналом. Тоді його припущення зустріли скептично — науковці вже знали чимало видів іонних каналів, проте жоден не міг реагувати на світло самостійно.

Знайти необхідний білок не вдавалося, проте за кілька років допомога прийшла з Японії — на рубежі тисячоліть місцеві дослідники розшифрували й оприлюднили базу з тисяч активних генів хламідомонади. Група Гегеманна знайшла серед них два, схожі на гени вже відомих звичайних світлочутливих білків. Настав час зрозуміти, чи міг принаймні один з них бути геном того самого особливого білка, який вони шукали, і Гегеманн звернувся до колеги — Георга Нагеля.

3

Нагель використовував яйцеклітини жаб, щоб вивчати білки. Він увів два отримані гени в яйцеклітини, і вони почали виробляти раніше невідомі білки. (Якщо тут ви трохи заплутались, то ген — це фактично інструкція, за якою клітина виробляє білок). Тоді вчений виявив, що гіпотеза, яку Гегеманн сформулював десятиліттям раніше, була правильною: білки, які одночасно реагують на світло і проводять його, існують. Нові білки отримали назву «каналородопсин-1» і «каналородопсин-2». Саме другий виявився особливо корисним: він швидко реагував на синє світло і пропускав у клітину позитивно заряджені іони. Дослідники вкололи каналородопсин-2 у клітини нирок людини і хомʼяка, і ті стали світлочутливими — починали працювати, якщо на них посвітити.

На цьому етапі естафету Нагеля і Гегеманна перехопив американський вчений — майже на 20 років молодший за них.

4

У 1990-х роках американець Карл Дайссерот почав вивчати медицину і хотів стати нейрохірургом. Та під час практики у психіатричній кліниці його глибоко вразили страждання пацієнтів. Водночас він став замислюватись, чому мозок різних людей працює настільки по-різному і що саме відбувається з його клітинами під час депресії, шизофренії та інших хвороб.

Згодом вже під час роботи американець усвідомив, що досліджень мозкової тканини недостатньо — аби побачити, як активність нейронів впливає на поведінку, потрібно досліджувати роботу нервових клітин у живому мозку.

Дайссерот сформував власну дослідницьку групу, що шукала білок, який можна було використати для активації нейронів у мозку. Вони встигли провести багато невдалих випробувань, коли вчений дізнався про відкриття своїх німецьких колег і попросив у них ген каналородопсину-2. Американці ввели ген у нервові клітини мишей, а коли ті почали виробляти новий білок — посвітили на них синім світлом. Клітини миттєво «прокинулись» і передали імпульс своїм сусідкам.

Невдовзі вчені виявили у водоростей інші подібні білки, які реагують на світло різних кольорів і здатні «вмикати» або «вимикати» нервові клітини. У 2006 році Дайссерот назвав застосування цих білків «оптогенетикою».

Наступного року команда Дайссерота випробувала цей метод на мозку живих мишей. Учені доставили ген каналородопсину-2 до нейронів у руховій ділянці мозку — і в них почав вироблятися світлочутливий білок. Потім через маленький отвір у черепі ввели тонке оптичне волокно (це просто провідник світла) і посвітили синім світлом. Коли світло вмикали, нейрони, що стали світлочутливими, «прокидались», і вчені змогли рухати вусами миші. Того ж року дослідники ввели ген у нещодавно відкритий тип нервових клітин, що, на їхню думку, відповідали за стан неспання — і змогли контрольовано будити мишей.

А у 2012 році Дайссерот і нобелівський лауреат Судзумі Тонегава використали оптогенетику, щоб дослідити, як мозок зберігає спогади. Вони змогли активувати у миші енграму — фізичний слід спогаду. Спочатку вчені відстежили нервові клітини, які спрацьовували в мишей під час переляку. Коли ж в них додали новий білок і ввімкнули світло, тварини завмерли від страху, хоча навколо панувала повна безпека. Так дослідники вперше визначили, у яких саме нейронах «записаний» конкретний спогад.

5

Сьогодні завдяки оптогенетиці вчені можуть точно зʼясувати, які саме сплетіння нервових клітин відповідають за певні функції мозку. Вони виявили нейронні ланцюги, які керують відчуттям болю, соціальною поведінкою, спрагою, споживанням їжі, увагою, а також знайшли нервові клітини, що регулюють найрізноманітніші процеси — від контролю циркадних ритмів до підвищення температури тіла під час активації імунної системи.

Цей метод також використовують, щоб досліджувати нерви за межами головного мозку. Наприклад, Дайссерот показав, що серцевий ритм здатен впливати на наші емоції: якщо змусити серце битися частіше, це може посилити відчуття тривоги.

Завдяки оптогенетиці дослідники змогли краще зрозуміти особливості психічних і неврологічних розладів, таких як депресія, тривожність, шизофренія, хвороби Альцгеймера та Паркінсона. Тепер, коли відомо, в яких саме нейронах криється проблема, фармакологи й лікарі можуть шукати рішення, що впливатимуть саме на них, а не на весь мозок.

Інша сфера, де тривають експерименти, — повернення зору і слуху. У 2021 році вчені з міжнародної групи опублікували дослідження про лікування пацієнта, який осліп через пігментний ретиніт — захворювання, що руйнує світлочутливі клітини ока. У сітківку пацієнта ввели білок, і за допомогою спеціальних окулярів він зміг розрізнити предмети. Також вчені сподіваються, що зможуть створити нові кохлеарні імпланти — електронні протези, що струмом стимулюють слуховий нерв. Якщо зробити нерв світлочутливим і замінити струм на світло, то імплант зможе працювати точніше.