Как системная биология раскрывает тайны мозга

Дата публикации: 19/02/2021

Как изучают мозг, почему это так сложно и зачем вообще это делать

Исследовать головной мозг очень тяжело, ведь этот орган невероятно сложен. Кора головного мозга делится на 180 участков [1] (рис. 1), которые состоят из нейронов с аналогичной структурой, функциями и связями, а всего человеческий мозг содержит около 84,6 миллиардов глиальных клеток, 86 миллиардов нейронов [2] и примерно 1015 синапсов, соединяющих нейроны друг с другом [3]. Это настолько умопомрачительно сложная сеть, что полное описание структуры всех связей в мозге человека — коннектóм — до сих пор недоступно. Еще бы: ведь даже небольшой набор данных (микроконнектом) с полным разрешением занимает 12 терабайт [4]!

Однако изучать мозг критически важно, причем не только потому, что это интереснейший биологический объект. У фундаментальных исследований мозга есть важное практическое значение. Только досконально разобравшись, как работает мозг, мы научимся лечить заболевания головного мозга человека. Например, изучение нейронных основ амблиопии [5] — расстройства зрения у детей, при котором в мозг поступают искаженные сигналы, из-за чего зрительная кора головного мозга неправильно воспринимает сигналы от глаз, — уже помогло разобраться с происхождением болезни и выявить ранние чувствительные периоды, в течение которых ребенку проще всего помочь.

Сегодня в мире действует несколько международных проектов, посвященных фундаментальным исследованиям мозга. Например, в 2013 году сотрудники Национальных институтов здравоохранения (NIH) США запустили инициативу BRAIN, нацеленную на всестороннее изучение мозга на нескольких уровнях. При Институте нейровизуализации и информатики им. Марка и Мэри Стивенс (USC) действует Human Connectome Project, задача которого — построить карту нейронных сетей в человеческом мозге (то есть коннектом), которая выявит анатомические и функциональные связи в здоровом мозге человека и предоставит совокупность данных, необходимых для исследования причин заболеваний мозга. Например, дислексии, расстройств аутистического спектра, болезни Альцгеймера и шизофрении.

И это далеко не всё. Например, специалисты из Института исследования мозга Аллена под руководством Аллана Джонса составили транскриптомный атлас человеческого мозга. Он уже позволил расширить наши знания о функциях отдельных зон мозга, лучше понять причины заболеваний центральной нервной системы, а в будущем поможет разобраться с функциями малоизученных генов мозга, экспрессия которых была обнаружена при составлении атласа. Подробнее прочитать об этом можно в статье «Allen Brain Atlas: транскриптом мозга» [6].

В Европе действует проект Human Brain Project (HBP), включающий 121 научный институт из 20 стран. Его ключевая задача — моделирование головного мозга человека. HBP вырос из предыдущего крупного исследования — Blue Brain Project, — авторам которого удалось смоделировать нейронную колонку коры больших полушарий мозга крысы. Прочитать об этом подробнее можно в статьях «Blue Brain Project: как все связано?» [7] и «Blue brain project: связи и хаос» [8].

Аналогичные проекты существуют и в Азии. В Японии с 1997 года работает RIKEN Brain Science Institute (BSI), организованный по четырем основным направлениям исследований: разум и интеллект, функции нейронных цепей, механизмы заболеваний и развитие передовых технологий. А в 2010 году китайское Министерство науки и технологий (MOST) профинансировало проект Brainnetome — один из 50 крупных китайских проектов, сотрудники которого совместно с учеными из США занимаются визуализацией и вычислительным анализом того, как функционируют нормальные и поврежденные нейронные сети.

В нашей стране глобального проекта по исследованию мозга пока нет, а в уже существующих международных проектах Россия не участвует. В 2019 году президент Российской академии наук Александр Сергеев призвал запустить общенациональный проект по исследованию мозга, но он пока не стартовал. Тем не менее в нашей стране много научных центров, сотрудники которых очень активно занимаются исследованиями мозга — в том числе с международным сотрудничеством.

Будущее нейробиологии

Нейробиология — одно из самых быстро развивающихся направлений биологии. И это неудивительно, ведь о работе мозга мы еще знаем очень мало. До сих пор много неясного в области поведенческой биологии (как мозг управляет поведением). Много загадок в клеточной нейробиологии, которая исследует нейроны и глиальные клетки мозга, и в молекулярной нейробиологии, предмет изучения которой — роль отдельных молекул в нервной системе.

Екатерина Храмеева: что еще предстоит узнать о работе мозга?

Мозг можно изучать еще очень и очень долго. Например, из-за методических сложностей при работе с образцами мозга упаковка ДНК в мозге исследована плохо. Есть буквально пара статей про здоровый мозг, а про изменения упаковки ДНК при когнитивных расстройствах почти ничего не известно. При этом кажется, что такие изменения должны быть: экспрессия генов ведь меняется, и сильно, а она напрямую связана с особенностями упаковки. Может быть, есть какой-то общий механизм регуляции работы генов, который «ломается» при заболеваниях мозга… Найти его будет непросто, но, если удастся, это будет большой прорыв.

Другое перспективное направление, которым мы занимаемся в Сколтехе, — липидомика [49][50]. Мозг человека состоит из липидов больше, чем наполовину, и они принимают участие во всех процессах в мозге. При этом липидный состав мозга изучен довольно плохо, опять же из-за методических сложностей. Поэтому есть где развернуться. Мало что изучено и конкуренции мало, так как в мире немногие лаборатории занимаются липидомикой.

Кстати, сложности с ней возникают не столько в экспериментальной части, сколько в анализе данных: надо точно идентифицировать липиды, убрать технические эффекты, шум из данных. А готового софта для обработки липидных данных мало, и он работает не идеально. Приходится многое разрабатывать самим.

Только когда эти разделы наук о мозге накопят достаточно данных, наступит эра клинической нейробиологии — науки, которая изучает расстройства нервной системы. Возможно, лет через пятьдесят человечество настолько серьезно продвинется в изучении мозга, что мы наконец-то получим возможность эффективно лечить — а может быть, даже предотвращать — заболевания головного мозга.

Это действительно возможно, в том числе благодаря работам стипендиатов, появлению на свет которых помогли сотрудники ФМИ и Сколтеха, создавшие стипендию по системной биологии (см. врезку). Ведь компания ФМИ уже очень давно занимается не только исследованием табачных продуктов. Это и создание искусственных органов на чипе для научных исследований, и фундаментальные исследования по изучению вторичных метаболитов табака, и даже разработка вакцины от коронавируса. Подробнее о том, чем занимаются в ФМИ, можно прочитать в первой статье цикла «Стипендия по системной биологии: инициатива, которая вдохновляет» [51].

Дмитрий Улупов: история появления стипендиальной программы по системной биологии ФМИ

Дмитрий Улупов
Дмитрий Улупов, управляющий по научно-исследовательским вопросам у российских аффилированных лиц компании «Филип Моррис Интернэшнл» (регион Восточная Европа)

В ФМИ мы уже много лет используем самые передовые научные методы и подходы для исследования свойств наших бездымных продуктов, в том числе — системную биологию и биоинформатику, и мы с коллегами обсуждали идеи, как компания может помочь развивать эту научную область в России.

В 2013 году на одной из презентаций фонда «Сколково» я узнал от Алексея Пономарева, вице-президента Сколтеха по связям с промышленностью, что в Сколтехе создается научно-образовательный центр системной биологии и биоинформатики. Двумя годами позже я познакомился с Константином Севериновым, директором ЦНИО системной биомедицины и биоинформатики, — он был очень удивлен при первой встрече, что наша компания в принципе занимается исследованиями в области системной биологии. В ходе общения родилась идея стипендиального проекта по поддержке молодых российских ученых, в котором мы участвуем как грантодатель, а Сколтех обеспечивает операционную поддержку и научную экспертизу заявок стипендиатов.

Все проекты стипендиатов настолько разнообразны и интересны, что трудно выделить «самый любимый». Некоторые имеют очевидное прикладное значение, другие ориентированы на фундаментальную науку и разработку новых исследовательских методик. Я надеюсь, что все стипендиаты будут успешны в научной деятельности — кто знает, может, среди них уже есть будущий Нобелевский лауреат.

Стипендия ФМИ по системной биологии с каждым годом играет все более важную роль, причем не только в российской, но и в мировой науке.

«Первые стипендии были вручены весной 2016 года, уже почти 5 лет назад, — рассказывает Дмитрий Улупов. — Сегодня я вижу, что программа продолжает устойчиво работать, вызывает интерес в научном сообществе биологов и биоинформатиков, а главное — реально помогает молодым талантливым ученым реализовывать научные проекты в России».

По окончании трехлетней стипендии стипендиаты подготавливают финальную презентацию научных проектов. В 2018 и 2019 годах ее проводили как выездной симпозиум в Научно-исследовательском центре ФМИ в Невшателе (Швейцария), чтобы стипендиаты могли своими глазами увидеть, как ФМИ работает в области системной биологии, какое оборудование и методы использует, познакомиться с результатами наиболее актуальных исследований.

«С прошлого года из-за пандемии “живые” встречи, не говоря уже о зарубежных поездках, практически невозможны, поэтому симпозиум пришлось проводить в виртуальном формате, через Zoom, — рассказывает Дмитрий Улупов. — Тем не менее всем стипендиатам удалось представить результаты своих проектов и обсудить их с учеными Сколтеха и ФМИ, а мои швейцарские коллеги презентовали результаты краудсорсингового исследования микробиоты кишечника человека. Все это прошло в очень дружеской атмосфере».

Врачи рекомендуют стабилизировать давление без лекарственных препаратов

Эти рекомендации следует прочитать и гипертоникам и гипотоникам, сообщает www.piterburger.ru. Если у вас давление высокое или низкое врачи обычно советуют безотлагательно принять лекарство, которое назначил лечащий врач. Ведь таким образом вы избежите различного рода неприятностей. Однако на практике многие больные гипертоники и гипотоники приводят в норму свое давление при помощи различных подручных средств. Это продукты питания или напитки.

Читать далее

Перерыв в диете поможет сбросить вес

Если вы давно пытаетесь сбросить вес и для этого постоянно сидите на диетах – возможно, вам стоит сделать паузу. Ключом к потере веса и сохранении результата (известно, что потерять килограммы не так сложно, куда сложнее потом не найти их снова) исследователи из Тасманийского университета (University of Tasmania) назвали именно перерывы. Разумеется, это не означает, что диеты совершенно бесполезны, однако в комбинации с периодами отдыха они куда эффективнее (по крайней мере, для мужчин).

Читать далее

Семейная йога

Йога не обязательно должна быть занятием только для взрослых. Дети показали, что они тоже могут извлечь пользу из практики йоги. Это может помочь с их физической подготовкой, расслабить их и даже повысить их концентрацию в классе. 5 Идей Для Йоги 1. Общайтесь со своим ребенком и научите его некоторым легким позам, которые вы можете делать … Читать далее «Семейная йога»

Читать далее