Нейронауки 2021: чему мы научились?

Две клеточных линии из примерно 300 тысяч нейронов, размещенных на микрофлюидном устройстве. Nikon Small World 2021 Photomicrography Competition, второе место. Credit: Esmeralda Paric, et al. Macquarie University

Продолжаем наш ежегодный топ самых прорывных исследований в нейронауках в ушедшем году подборкой исследований, которые привели к созданию или новой научной методики, расширяющей горизонты нейронаук, или нового потенциального лекарства. Сюда же вошли и новые модели болезней или модельные популяции клеток, и принципиально новые интерфейсы мозг-компьютер, и новые диагностические методики, которые в скором будущем станут рутинными. Итак, давайте посмотрим, чему мы научились в 2021 году?

Создали «модель боли»

Исследователи «вырастили» клетки-ноцицепторы, которые реагируют на чрезмерные стимулы, вызывая болевые ощущения. Их источник – спинномозговые узлы эмбриона крысы, которые «прокачивают» c помощью факторов роста до ноцицепторов С-волокон (медленных), способных реагировать на капсаицин и АТФ. Именно эти вещества становятся «сигналом» для болевых стимулов, которые поступают по С-волокнам в головной мозг.

Ноцицепторы С-волокон участвуют в передаче сигналов от тела к спинному и головному мозгу и играют важную роль в механизмах развития хронической боли. С помощью модельных нейронов, которые способны оставаться функциональными до семи дней, исследователи могут лучше изучить это патологические состояние.

Поместили нейроинтерфейс внутрь вены


Наибольшая четкость и чистота сигнала, который можно считывать у нейронов, достигается при помощи инвазивных нейроинтерфейсов, которые вживляются прямо в ткани головного мозга. Но все понимают, что эту технологию очень сложно масштабировать на здоровых людей, так как вряд ли регуляторы разрешат вскрывать черепную коробку обычным гражданам и подвергать их огромному риску без веских причин. Поэтому исследователи постоянно ищут новые неинвазивные или малоинвазивные способы поставить электроды максимально близко к мозгу. Так появился эндоваскулярный моторный нейропротез

Считывающий электродный блок устанавливается через венозную систему в районе двигательного центра головного мозга и удерживается в просвете вены стентом, а чрескожный инфракрасный декодер преобразовывает сигналы в нажатия клавиш виртуальной мыши. Курсором человек управляет с помощью айтрекера, а затем мысленно жмет на кнопку, совершая действие. По быстроте и точности система не уступает инвазивным «братьям», но при этом может работать долго (более 12 месяцев) и без последствий для здоровья пользователей. Эксперты предрекают технологии большое будущее. 

Научили астроциты превращаться в нейроны прямо в мозге (в нужных местах)

Было бы здорово отращивать новые нервные клетки прямо на месте погибших в случае травм, инсультов или прогрессирующих нейродегенераций. И исследователи находятся на пути к этому. Своей целью они избрали астроциты, так как у них и нейронов общие клетки-предшественники. Сначала они попробовали модицифицировать коктейль из ростовых факторов и проверили его на клеточной культуре астроцитов. И астроциты начали демонстрировать признаки нейронов.

После этого наступила очередь испытаний на живых организмах. При помощи вирусных векторов они научились помечать астроциты, а затем наблюдали за изменениями в их физиологии после введения лечебного «коктейля». Испытания прошли успешно. Малые молекулы оказались неиммуногенными и не встраиваемыми в геном, а их воздействие было обратимым. Это говорит об их большом потенциале для репрограммирования астроцитов.

Вырастили на мини-мозге мини-глазки

Сложно спорить с пользой модельных клеток, клеточных линий и организмов для науки, особенно в тестировании новых лекарств. Но все-таки часто они позволяют предсказать сильно упрощенную версию событий. Двигаясь по пути усложнения технологии мини-брейнов – небольших трехмерных конструкций, состоящих только из нейронов или из нескольких типов мозговых клеток, – ученые смогли вырастить у них глаза

Им удалось получить не только сфероид нервной ткани, но и два глазных пузыря на ней –зачатки будущих глаз. При этом они оказались полностью функциональными. Мини-мозг самопроизвольно начал отращивать себе глаза через месяц после начала собственного формирования, а через два месяца глазные пузыри уже полностью оформились.

Вернули зрение человеку с помощью оптогенетики

В прошлом году мы рассказывали о макаке в рамках этого исследования, и наконец-то оптогенетическая технология восстановления зрения дошла до испытаний на людях. Ее суть в том, что светочувствительные белки при погибших фоторецепторах встраиваются в другие нейроны сетчатки – биполярные или ганглионарные клетки. С помощью этого клетки начинают генерировать импульсы в ответ на воздействие волн видимого света, правда, без дифференциации на цвета. 

Мужчина, у которого из-за пигментного ретинита фоторецепторы погибли около 40 лет назад, смог снова видеть свет. Светочувствительные белки встроили в его ганглионарные нейроны. Человек смог не только считать, какое количество предметов перед ним находится, но и даже в большинстве случае разобрать, что это за предметы. Потрясающе! Теперь дело за совершенствованием технологии.

Превратили нейроинтерфейсы в «нейрозерна»

Еще одна попытка сделать инвазивный интерфейс минимально инвазивным. Исследователям удалось уменьшить его до размера менее миллиметра, что соответствует крупинке соли. При этом эта «крупинка» оснащена электродом и может по беспроводной связь соединяться с тысячами таких же нейроинтерфейсов, создавая разветвленную сеть. Причем, за счет своего микроскопического размера эти интерфейсы почти не влияют на ткани мозга и не травмируют сосуды. Испытания показывают, что они отлично справляются со своими обязанностями у грызунов. Теперь очередь за людьми.

Еще один претендент на прорыв в этой области – нейропиксели – инвазивные зонды для регистрации активности мозга. В 2017 году появилась их первая версия, которую теперь улучшили. Новая версия зонда содержит уже не один, а четыре тончайших стержня с суммарно 5120 участками записи. Использование двух четырехстержневых зондов в одном имплантате обеспечивает исследователя 10240 записывающими электродами. И что интересно, они обеспечивают рекордно долгую запись при сохранении ее хорошего качества.

Рекордно повысили скорость набора текста с помощью нейроинтерфейса

И еще одна новость из мира интерфейсов мозг-компьютер. Все эти технологии создаются для того, чтобы в итоге стать незаменимым помощником людям, потерявшим способность двигаться. В том числе таким людям важно быть социально активными, и единственным инструментом общения для них становится набор текста. До сих пор нейрокомпьютерные интерфейсы сильно проигрывали в скорости даже системам зрительного набора текста, которые сами по себе не отличаются выдающимися показателями: с помощью глаз можно набирать около 47,5 знаков в минуту, с помощью нейрокомпьютерного интерфейса – не более 40. Это, конечно, очень медленно.

Но если попросить человека представлять, как он пишет на бумаге от руки те же буквы, и обучить интерфейс распознавать паттерны активности моторной коры мозга в этот момент, то можно ускорить набор сообщения вплоть до 90 и более знаков в минуту. Добавляем к этому систему автокоррекции и получаем точность набора слов в 99,1%. Конечно, пока все это тестировалось на алфавитных языках, и непонятно, что будет в этом случае с, например, иероглифическим письмом, но исследователи рассчитывают, что их работа откроет новые горизонты для применения нейроимплантов. 

Вывели трансплантацию клеток при болезни Паркинсона в «клинику»

Мы тоже уже неоднократно писали об этом прорывном методе лечения, но теперь повод очень воодушевляющий – он получил одобрение FDA для клинического применения, что делает его теоретически доступным для тысяч людей. 

Нашли эффективный метод лечения болезни Гентингтона

Болезнь Гентингтона передает генетически и всегда оказывается для носителя «поломанного» гена белка гентингтина приговором. «Неправильный» белок накапливается и приводит к клиническим проявлениям в возрасте самого расцвета сил. Но оказалось, что один из белков «починки» ДНК может влиять на считывание патологического нуклеотидного повтора, которым как раз грешит «поломанный» ген. Он способен затормозить считывание длинного «хвоста» повторов и привести к сборке совершенно нормальных копий белка на патологическом гене.

Пока метод протестировали на животных, но судя по тому, что научная команда работает с биотехнологической компанией Adrestia Therapeutics, клинические испытания не за горами.

Кажется, создали работающее лекарство от болезни Альцгеймера

Кажется, потому что уже все устали разочаровываться после проваливающихся клинических испытаний. Но в нынешней истории доля оптимизма и надежды довольно высока. Во-первых, потому что ученые немного отошли от пресловутой темы «разрушим амилоид и остановим нейродегенерацию», а, во-вторых, потому что доклинические испытания проводили не, как это часто бывает, на мышах, а на гораздо более близких к человеку обезьянах саймири. 

Авторы работы решили простимулировали иммунные клетки мозга, которые занимаются его «очисткой», с помощью введения олигодезоксинуклеотидов CpG – регуляторов врожденного иммунитета. Причем, стимулировали они очень аккуратно – малыми дозами и с большими перерывами между процедурами, чтобы избежать гиперактивации защитных механизмов. Пожилые обезьяны с выраженными признаками нейродегенерации на фоне лечения стали справляться с заданиями и головоломками наравне с молодыми взрослыми животными и намного лучше и быстрее, чем животные их возрастной группы, не получавшие препарат. Посмотрим, что скажет «клиника».

Сконструировали дешевые датчики для магнитоэнцефалографии

Магнитоэнцефалография по праву считается одним из самых точный методов исследования активности головного мозга. Но есть проблема – метод крайне дорогой, поэтому доступен в очень немногих лабораториях по всему миру. Однако у российских ученых получилось его удешевить. 

Новый датчик создан на основе пленки из железо-иттриевого граната и стал первым в мире твердотельным сверхчувствительным магнитометром, работающим при комнатной температуре. Широкий динамический диапазон позволит потенциально уменьшить степень магнитной защиты, что существенно снизит цену как самого устройства, так и необходимой для исследований инфраструктуры. Самое важное – его испытания подтвердили то, что он успешно справляется со своими функциями – регистрацией сигналов мозга. 

Прорывы и тенденции в лучевой диагностике

Автор этого обзора – по профессии врач лучевой диагностики, поэтому не смог обойти вниманием свою область. Тем более что тут тоже есть чем похвастаться. Исследователи из нескольких ведущих научных центров Европы собрали новый магнитно-резонансный томограф с индукцией магнитного поля 11,7 Тесла, при том, что стандартные томографы, активно используемые в клинике на сегодняшний день, имеют индукцию 1,5 и 3 Тесла (то есть почти в 4-7 раз меньшую). И даже получили на нем первые изображения (правда, пока всего лишь тыквы). Сканер имеет разрешение 1/10 миллиметра, массу в 150 тонн и стоит 75 миллионов евро. Такое техническое чудо позволит глубже понять структурные и функциональные основы расстройств мозга и улучшить их диагностику: в основном, нейродегенеративных заболеваний и психических расстройств.

Тенденция по всему миру наблюдается и в использовании алгоритмов искусственного интеллекта для анализа медицинских изображений. Причем, их можно не только использовать для помощи врачу-рентгенологу, но и для того, чтобы на основе индивидуальных особенностей мозга пациента предсказывать течение того или иного заболевания (например, осложнения при инсульте). Поиск этих так называемых маркеров визуализации, которые помогут в предсказании, и формирование на их основе прогнозов течения патологии называется радиомикой (по аналогии с протеомикой и пр.). Так, например, радиомику уже достаточно успешно применили для прогнозирования того, как  распространится гематома при спонтанном внутримозговом кровоизлиянии. 

Подготовила Анна Хоружая