Российские ученые проводят масштабный эксперимент по изучению долговременной памяти в поисках веществ — регуляторов генов, с помощью которых можно управлять высшими функциями мозга. О медицинских перспективах этого исследования РИА Новости рассказал профессор, член-корреспондент РАН Павел Балабан, научный руководитель по направлению "нейрофизиология" Института высшей нервной деятельности РАН.
Лягушка XX века
В середине прошлого столетия любимыми подопытными животными биофизиков стали моллюски. Только у них нервные клетки можно разглядеть без микроскопа, прямо невооруженным глазом. Диаметр нейрона достигает двух миллиметров, толщина отростка — одного миллиметра, а не одного-двух микрон, как у человека. В тело одной нервной клетки, к примеру, брюхоногого моллюска можно воткнуть до семи электродов.
Наземные моллюски считаются своего рода интеллектуалами в мире беспозвоночных, у них хорошо развиты условные рефлексы, они прекрасно обучаются, особенно если воздействовать на них чем-то неприятным. Ученые называют это негативным подкреплением.
"Если улитку ударить током в определенной обстановке, например, когда она ползет по шару, она туда никогда больше не вернется. Даешь им нюхать один запах — поворачивают налево, другой — направо. Они делают это медленно, но уверенно", — говорит Павел Балабан.
У человека в мозге миллиарды нейронов, моллюскам хватает 20 тысяч. Их когнитивные способности говорят о большой пластичности мозга, а значит, и памяти. Эта группа организмов сформировалась на много миллионов лет раньше позвоночных и дожила до наших дней во многом благодаря хорошим механизмам адаптации, среди которых один из ключевых — память.
"В 70-е мы думали, что, изучив активность каждого нейрона мозга улитки, поймем, как работает нейронная сеть. Рекорд — регистрация активности сразу 1,2 тысячи нейронов. Парадоксально, но этот путь мало что дал", — продолжает профессор.
В последние два десятка лет ажиотаж вокруг моллюсков утих. Выяснилось, что их геном в три раза больше человеческого. По этой причине он до сих пор не расшифрован, несмотря на вложенные в эту работу большие средства. А без описания — хотя бы формального — всего генома организма продвигаться дальше трудно.
Молекула памяти
"Мы хотим понять, как происходит генетическая регуляция памяти", — формулирует задачу профессор Балабан.
Не то чтобы найден какой-то ген памяти или даже группа генов. Как оказалось, сделать это совсем непросто. Зато обнаружена молекула памяти.
Нужно подчеркнуть: речь идет о данных, хранящихся в мозге сутки и более. Это называется долговременной памятью. До сих пор неясно, как она кодируется в нервной сети, что именно позволяет нейронам запоминать информацию на дни, недели, годы. При этом все биохимические системы в организме обновляются через четыре-восемь часов, белки живут два-три дня, разлагаются, синтезируются новые.
"Круговорот метаболитов происходит постоянно. Как в таком случае что-то хранится в мозге десятками лет? Это большая загадка", — констатирует Павел Балабан.
Точно установлено только, что здесь есть связь с синтезом белков. Этот феномен объясняют две основные гипотезы. По одной из них, ведущая роль отводится прионам — неправильно скрученным белкам. Они обладают способностью портить нормальные белки. Процесс этот самоподдерживающийся, участок нейронов помечается прионной меткой, которая сигнализирует, что тут что-то случилось.
Вместо прионов с тем же успехом может действовать некий фермент, который в нейронах регулирует транспорт белков, обеспечивающих память в контактах между нейронами (синапсах). Больше всего на эту роль подходит протеинкиназа M-зета.
"Эти молекулы синтезируются прямо в синаптической зоне нейрона и управляют количеством белковых рецепторов. Расчет простой: больше молекул фермента, больше рецепторов, синапс лучше работает. Свойства протеинкиназы M-зета уникальны — она запускает синтез самой себя через систему белков. Если ее по какой-то причине стало в десять раз больше, синтез идет активнее, и ее так и будет именно в этом месте всю жизнь в десять раз больше. Это опять же метка о том, что здесь что-то изменилось и хранится долго", — объясняет ученый.
Через гены к лечению памяти
Протеинкиназу M-зета открыли в 1990-х на улитках, затем на позвоночных. Выяснилось, что она есть почти у всех животных — от круглых червей до человека. Удивительно, но наша молекула памяти на 90 процентов похожа на улиточью.
"Много о ней пока неизвестно. Но уже становится понятно, к примеру, как стереть память. Просто удалить из нейронов этот фермент. Экспериментально это показали на мышах-нокаутах, у которых его синтез заблокирован. Они плохо запоминают, обучаются, но при этом нормально живут. Получается, что у этой молекулы нет других функций, кроме регулирования пластичности мозга", — рассуждает Павел Балабан.
Он с коллегами проверил на культурах крысиных нейронов, как синтезируется протеинкиназа M-зета под действием эпигенетических факторов — различных молекулярных меток, которые цепляются к ДНК в клетке и меняют активность отдельных генов, не внося при этом никаких мутаций в саму последовательность. Результаты эксперимента опубликованы в этом году в Scientific reports.
Это направление в мире сейчас прорывное. Ученые надеются, что эпигенетика поможет бороться с тяжелыми заболеваниями — такими как диабет, некоторые виды рака. Павел Балабан видит здесь путь к разработке принципиально новых лекарств для реабилитации страдающих болезнями Альцгеймера, Паркинсона, деменцией, перенесших инсульт.
Эксперимент по эпигенетическому воздействию на память. У грызунов проверяют способность к обучению до и после инъекции регулятора работы генов
Ключ от лечебной диеты
Эпигенетика — лучше, чем редактирование генома, после которого могут случиться непонятно какие отдаленные последствия, вплоть до онкологии, полагает профессор Балабан.
"В идеале мы хотим научиться эпигенетическому редактированию, то есть влиять на активность генов, не внося мутаций в ДНК. В мире пока не отработаны даже лабораторные протоколы этой процедуры для нервных клеток", — уточняет он.
Проблемы здесь на каждом шагу: от больших доз регуляторов, с которыми приходится иметь дело (а некоторые из них токсичны), до выяснения механизма воздействия. В России эти работы на нервных клетках ведет в основном группа Павла Балабана. Изначально они работали с моллюсками, теперь — с грызунами, чей геном полностью расшифрован.
Один из нетоксичных регуляторов — бутират натрия. Это простое органическое соединение, соль масляной кислоты: четыре атома углерода и кислотные остатки. Наш организм получает регулятор из сливочного масла, пищи, богатой клетчаткой. Из кишечника с кровью бутират натрия через гематоэнцефалический барьер проникает в мозг, оттуда в нейроны. Ученые твердо знают, что его молекулы блокируют гистон деацетилазы (белковый фермент, управляющий генами) и таким образом активизируют определенные участки ДНК, отвечающие за память.
"Мы обнаружили его действие случайно. У нас были улитки, которые плохо обучались. Мы их обычно откладываем отдельно и наблюдаем. А в тот раз провели обучение, протестировали и вкололи бутират натрия. Проверили через два дня, а они, оказывается, все запомнили, чему мы их научили", — рассказывает ученый.
Бутират натрия не считается специфическим регулятором, у него масса различных функций в организме.
"Активируя неспецифически экспрессию генов, мы почему-то влияем в первую очередь на гены пластичности мозга. Негативных эффектов не нашли. Сейчас заканчиваем эксперименты на крысах и подыскиваем модель патологии, которую можно попробовать скорректировать. Это должны быть животные с обратимой болезнью или на ранней стадии заболевания, где страдает память", — говорит он.
Ученые хотят разработать препарат или БАД для реабилитации больных, например, после инсульта.
"Можно просто изменить диету, чтобы бутират натрия привносился естественным путем с пищей. Сразу вспоминается полноценное питание в советское время, когда в кашу — это источник клетчатки — обязательно клали кусочек масла. Если есть много мяса без клетчатки, то и умственные способности, похоже, снижаются", — поясняет Павел Балабан.
Прокачать мозг с помощью бутирата натрия, однако, не получится. Здоровый организм не реагирует никак на это вещество, сколько бы его не кормили им. Во всяком случае, это показано на улитках и грызунах. Другое дело при патологии, когда мозгу требуется повысить пластичность, чтобы перекинуть функции поврежденных участков на здоровые.
"У медиков много примеров, когда при удачной реабилитации работа мозга восстанавливалась за счет включения других его областей", — подчеркивает исследователь.
Альтернатива генному редактированию
Ученые хотели запатентовать свое открытие, но выяснилось, что в США уже действует несколько патентов на бутират натрия и другие простые вещества с аналогичным действием на память. По некоторым даже шли клинические испытания, но после 2012 года публикации в открытой печати почти пропали.
"То ли засекретили эти работы, то ли не получилось", — рассуждает ученый. Эксперименты по эпигенетике памяти очень длительные, сложные и дорогостоящие. Для них нужны стерильные комнаты, специально выращенные культуры клеток и лабораторные животные определенного возраста, новейшее оборудование, дорогие реагенты, секвенаторы следующего поколения. Это направление развивается фантастически быстро, поскольку сулит большие практические выгоды.
"Эпигенетика — будущее медицины", — слайд с таким названием Павел Балабан демонстрировал на одном из заседаний РАН с участием министра здравоохранения Вероники Скворцовой.
Но главное для любого ученого — это, конечно, решение фундаментальных проблем: как работает долговременная память и как ей управлять.
"Известно, в каких отделах мозга какая память хранится. Например, память об обстановке — в гиппокампе, через 21 день она уходит в кору. Но деталей никто не знает. Как работает мозг — вот главная загадка XXI века. Ни в одной науке такого уровня загадок не осталось. Не говоря уже о проблеме сознания, к которой нам только предстоит приступить. Вот чем будет заниматься молодое поколение ученых", — подытоживает Павел Балабан.