Карл Дейссерот изучает работу мозга с помощью синих лазеров и зеленых водорослей
Психиатр и биоинженер Карл Дейссерот каждую неделю принимает пациентов, страдающих депрессией, в клинике Стэнфордского университета. Часто ему приходится пробовать одно лекарство за другим, пока он наконец не найдет эффективную комбинацию препаратов. Некоторым помогает электрошок, но у такого лечения, подвергающего мозг воздействию электрического тока, бывают и побочные эффекты — например, потеря памяти. Встречаются пациенты, которым не помогает ничего.
В чем суть проблемы? У исследователей нет ни малейшего представления о том, какие участки мозга вызывают депрессию. Не помогают ни интроскопия мозга, ни лабораторная диагностика. Внутренние процессы мозга изучены настолько слабо, что «у нас нет даже хороших теорий относительно того, что происходит», когда люди отчаиваются и стоят на грани самоубийства, говорит Дейссерот. Это относится и к другим психическим заболеваниям, например к шизофрении. «Во многих отношениях это одна из наименее технологически продвинутых отраслей медицины», — говорит он.
Когда Дейссерот не принимает пациентов, этот скромный 38-летний ученый с копной темных волос дни напролет просиживает в многолюдной лаборатории, расположенной под Стэнфордским центром биомедицинской техники и исследований в Пало-Альто (штат Калифорния). Вместе с 42 коллегами он разрабатывает инновационную технологию, которая позволит выявить причины психических заболеваний на клеточном уровне. Он использует зеленые водоросли, синие лазеры, генную терапию и волоконную оптику с одной-единственной целью — научиться составлять подробнейшую карту нейронных цепей, расположенных глубоко в мозге. Дейссерот надеется, что это позволит определять причину депрессии, тревоги, шизофрении и аутизма.
Этой технологии, которую назвали оптогенетикой, всего пять лет, и пока она применяется только на лабораторных животных. Но исследователи увлеченно рассказывают, что ее эффект для неврологии будет сравним с последствиями изобретения телескопа для астрономии. «С помощью этих подходов можно будет ответить на принципиальные вопросы, которые ставятся уже десятки лет, — полагает Майкл Хауссер, невролог из лондонского Юниверсити-колледжа. — Их потенциал трудно переоценить». «Это фантастический переворот, — вторит ему Дьердь Бужаки из Университета Ратджерса. — Если Карл больше ничего не сделает и просто будет сидеть в своем кабинете, Нобелевская премия ему уже обеспечена».
Когда-нибудь оптогенетики создадут устройства, вживляемые в мозг для восстановления поврежденных нейронных цепей при помощи световых импульсов. Появится возможность лечить эпилепсию, отключая слишком активные клетки мозга. А пока Пентагон выделил Дейссероту и его коллегам из Стэнфордского университета и Университета Брауна $14,9 млн на разработку нейронных протезов для раненых с повреждениями головного или спинного мозга.
В основе метода лежит помещение светочувствительных белков из зеленых водорослей в мозговые клетки. После этого клетки можно «включать» и «выключать» импульсами синего или желтого света. В качестве подопытных животных используются мыши. Исследователи подключают к их мозгу оптоволоконные кабели, но в будущем сигналы будут передаваться бесконтактным способом. В эксперименте, который Дейссерот показывает гостям лаборатории, импульс света, направленный на двигательную кору головного мозга, заставляет мышь бегать по кругу. В другом эксперименте исследователи будят спящую мышь, посылая световой сигнал в гипоталамус, отвечающий в мозге за циклы сна и бодрствования.
До недавнего времени у ученых не было технологии, позволяющей исследовать, как координируется активность групп нейронов. Исследователи могут регистрировать электрические сигналы от отдельных клеток мозга или рассматривать мозг в целом с помощью магнитно-резонансной интроскопии. Но на промежуточном уровне было мало возможностей. Это все равно что пытаться составить представление об экономике США, используя только спутниковые снимки и интервью со случайными людьми на улице.
Именно тут приходит на помощь оптогенетика. Вирусы, которые используются для встраивания светочувствительных белков в клетки, можно настроить на конкретные группы клеток мозга. Исследователи научились включать и выключать именно эти клетки у лабораторных животных, чтобы посмотреть, что произойдет.
Окончив Гарвардский университет по специальности «биохимия», Дейссерот получил степень доктора медицины и ученую степень по неврологии в Стэнфорде. Свое открытие он совершил почти сразу после того, как в 2004 году возглавил собственную лабораторию; он использовал открытые в 2002-м у зеленых водорослей светочувствительные белки. Под действием синего света белки открывают клетку для притока заряженных ионов.
Идея, что эти белки зеленых водорослей можно использовать для управления клетками человеческого мозга, была очевидной, но существовало множество сомнений в ее реализуемости. «Многие думали об этом, ни никому не хватало смелости попробовать, — вспоминает Дейссерот. — А нам хватило». Эдвард Бойден, который тогда писал диссертацию в Стэнфорде, стал одним из основных участников проекта. Идея управлять клетками с помощью света «захватила наше воображение», вспоминает Бойден, который теперь возглавляет лабораторию в Массачусетском технологическом институте. Третьим исследователем в лаборатории Дейссерота был Фэн Чжан, который помог разработать вирус для доставки гена зеленых водорослей в клетки мозга. Рискованный эксперимент удался, о чем исследователи сообщили на страницах журнала Nature Neuroscience в 2005 году. С тех пор Дейссерот и Бойден открыли и другие микробные белки, позволяющие отключать клетки мозга световым сигналом.
Сегодня развитием технологии, которой Дейссерот и Бойден свободно делятся с коллегами, занимается по меньшей мере 600 университетских лабораторий. Один блогер сравнил Дейссерота с горнолыжником, который вызвал сход лавины и со всего духу несется вперед, чтобы оставаться впереди нее. Пока ему это удается. Многие ученые никогда не напечатают ни одной статьи в самых престижных научных журналах Science и Nature. В 2009 году Дейссерот опубликовал три статьи в Nature и две в Science. «Все время, что он не ест и не спит, он посвящает работе», — вспоминает Чжан, который теперь работает в Гарварде.
Оптогенетика имеет шанс превзойти электроимпульсные имплантируемые устройства, которые используются для лечения болезни Паркинсона, навязчивого невроза и других заболеваний. В отличие от существующих устройств оптогенетические приборы более избирательно воздействуют на конкретные группы клеток. Крупный производитель медицинской техники Medtronic уже организовал специальную группу по разработке опытного прибора, чтобы посмотреть, чего не хватает для проведения оптогенетической терапии. «Это прорывная технология», — говорит старший технический руководитель отдела Medtronic Тимоти Денисон. Одно из препятствий — существующие оптогенетические установки потребляют много энергии, поэтому получаются слишком крупными.
Оправдает оптогенетика надежды или нет, но Дейссерот в любом случае рассчитывает отучить психиатров от упрощенного представления о том, будто психические и нервные заболевания обусловлены химическими причинами: нехваткой в мозге таких веществ, как серотонин или дофамин. Эта теория привела к созданию лекарств вроде прозака. Но чрезмерное внимание к химическим процессам в мозге сдерживает прогресс в психиатрии. Такой подход не учитывает того, что на самом деле мозг работает как высокопроизводительный процессор. «Идея, согласно которой психические болезни возникают из-за изменения уровня нейромедиаторов, неверна, — говорит Дейссерот. — Но она по-прежнему господствует в психиатрии».