Самарский тренажер ранней реабилитации после инсульта начал поставляться в больницы региона

Уникальный тренажер ранней реабилитации после инсульта, созданный специалистами Самарского государственного медицинского университета, будет поставлен в восемь лечебных учреждений Самарской области. 10 августа в СОКБ им. В. Д. Середавина прошел семинар, посвященный знакомству медиков с инновационным оборудованием, которое будет установлено в их медицинских учреждениях в ближайшие две недели.

Использование тренажёра


Участниками семинара стали руководители и специалисты реабилитационных центров и профильных отделений учреждений здравоохранения Самарской области. В их числе Новокуйбышевская, Сызранская и Чапаевская центральные районные больницы, Самарская городская клиническая больница №1 им. Н.И. Пирогова, самарская городская клиническая больница №2 им. Н.А. Семашко и другие. Для всех этих учреждений семинар стал отправной точкой в знакомстве с тренажером ранней реабилитации, позволяющем проводить реабилитацию даже тех пациентов, которые по состоянию здоровья не могут вставать с больничной койки.

«Залогом успешной реабилитации было и остается время, в течении которого врач может к ней приступить. Многие больницы сталкиваются с тем, что не могут использовать существующее у них оборудование или традиционные методы реабилитации в отношении ряда пациентов. Это связано с тяжестью заболевания в каждом отдельном случае. Порой вертикализировать пациента сразу невозможно по ряду противопоказаний. Некоторые учреждения испытывают недостаток персонала, способного оказывать меры реабилитационной поддержки в полном объеме, — рассказывает кандидат медицинских наук, научный руководитель проекта ReviVR Александр Захаров. — На этом фоне тренажер ReviVR очень сильно выигрывает. Его можно использовать в реабилитационных целях уже в первые 48 часов после инсульта, у него практически нет противопоказаний для работы с таким оборудованием, специалисту не нужно проходить специальную переподготовку».

В ходе встречи специалистам также удалось обсудить проблемы современной реабилитации, спектр возможностей, которые дает им использование высокотехнологичного оборудования и обменяться опытом с сотрудниками СОКБ им. В. Д. Середавина, где тренажер ReviVR проходит клиническую апробацию.

 

«Я очень довольна, что приняла участие в семинаре, поскольку для специалистов-реабилитологов современные методы и технологии в работе с пациентами — необходимость. Надеемся, что подобные тренажеры позволят нам приступать к реабилитации больных значительно раньше, — делится впечатлениями врач-физиотерапевт Чапаевской ЦРБ Наталья Лебедева. — Порой дело даже не в том, что медицинские учреждения не укомплектованы необходимым оборудованием, а в том, что в них не хватает квалифицированного персонала, способного заниматься со всеми нуждающимися. Меня радует, что оборудование, о котором я сегодня узнала, несмотря на все свои возможности, не требует долгого и дорогостоящего обучения персонала».

 

Сегодня апробация тренажера ReviVR проводится на базе передовых медицинский учреждений страны: в Самарской областной клинической больнице им. В.Д. Середавина, областном реабилитационном центре «Самарский», в санатории ФМБА России «Сергиевские минеральные воды», в Московской городской больнице №31 и Московской городской больнице им. братьев Бахрушиных. Промежуточные результаты клинических исследований показывают, что тренажер ранней реабилитации в 2 раза повышает эффективность восстановления пациентов после инсульта. Региональные больницы, которые в ближайшие две недели также примут высокотехнологичное оборудование на апробацию, смогут дополнить эту картину новыми данными, что позволит разработчикам ReviVR оперативно модернизировать тренажер в соответствии с запросами и требованиями врачебной практики.


Текст: Институт инновационного развития СамГМУ

 

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Разработки Рязанского медицинского университета помогут людям с болезнью Вильсона-Коновалова

В России запустили программу по развитию отечественной медицинской практики по лечению и диагностике болезни Вильсона-Коновалова — наследственного нарушения обмена меди, провоцирующего поражения центральной нервной системы, органов и систем организма.

Кольцо Кайзера-Флейшера, тонкий желтый обод по краю радужной оболочки — симптом болезни Вильсона-Коновалова


Болезнь Вильсона-Коновалова является одной из разновидностей орфанной — патологий, которые встречаются в нашем обществе чрезвычайно редко. Из-за этого они остаются менее изученными, редко попадают на страницы учебников, а значит, врачи не так хорошо умеют их распознавать и помогать пациентам. Именно поэтому люди, страдающие редкими заболеваниями, которые в основном имеют генетическую природу, объединяются в сообщества, способствующие и обучению врачей, и получению необходимых лекарств, и постановке научных проблем, касающихся этих заболеваний.

Специалисты Рязанского государственного медицинского университета совместно с коллегами из московского Института стволовых клеток человека и лаборатории «Генетико», а также пациентской организации подключились к изучению этой редкой болезни. Пациентов приглашают заполнить анкету о том, как им поставили диагноз и какое лечение назначили.

 


«Основной задачей университета является осуществление качественного современного образования по самому широкому кругу вопросов, отметил заведующий кафедрой гистологии, патологической анатомии и генетики РязГМУ, старший научный сотрудник Центральной научно-исследовательской лаборатории Роман Деев. Чтобы нам включать в образовательный процесс самые современные данные о природе, патогенезе, диагностике и лечении, в том числе редких болезней, мы активно работаем с коллегами из современных диагностических центров и пациентских организаций. Одним из первых таких опытов является совместная систематизация и изучение клинико-генетических и клинико-морфологических корреляций при болезни Вильсона-Коновалова. Мы рассчитываем, что через несколько лет активной работы наши научные знания, а значит и наши учебники и лекции обогатятся важной информацией, что, безусловно, послужит на пользу пациентам».


Первый этап масштабной программы — создание реестра пациентов с этим диагнозом (в том числе неподтвержденным) при помощи онлайн-анкетирования — уже стартовал. В рамках исследования собираются данные о состоянии здоровья людей, уровне жизни, качестве терапии и т.д. В дальнейшем реестр будет призван не только информировать пациентов о программах лечения и возможности включения в них, но и привлекать фармацевтические компании, которые производят нужные лекарства. Также программа будет рассчитана на консультативную помощь больным и постановку точного диагноза.

Сейчас в нашей стране клиническая и исследовательская практика в отношении этого заболевания не развита.
Как рассказала консультант по социально-правовым вопросам людей с болезнью Вильсона-Коновалова Виктория Рыжкова, пациентам приходится сталкиваться со многими проблемами. Во-первых, зачастую в аптеках нет нужного препарата. Также возникают трудности при диагностике: нарушение может выявить специальное генетическое исследование, которое не входит в ОМС и является дорогостоящим. Кроме того, не во всех регионах есть условия для его проведения. Ещё одна сложность — отсутствие полноценного реестра больных и точной статистики.

Разработанная программа даст возможность повысить качество жизни пациентов, сделать доступной консультацию, скорректировать терапию и даже создать спецшколу для врачей и людей с этой болезнью.


Текст: РязГМУ

 

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Ученые приблизились к имитации естественного распознавания речи

Голосовые помощники уже разработаны каждым уважающим себя IT-гигантом. И кажется, что они даже становятся полезными, а не только залихватски шутят. Однако можно все чаще услышать, что алгоритмы, по которым работают такие системы, далеки от того, как воспринимает речь или другие смысловые идентификаторы человек. Группа Александра Жданова представила новый подход к распознаванию речи на основе биоморфных нейроподобных сетей. Задача этой научной группы — построить нейроноподобную систему распознавания речи, в перспективе — без программной составляющей. Если эта попытка будет успешной, станет возможно имитировать естественный принцип распознавания речи. Работа опубликована в журнале Programming and Computer Software. 


В середине прошлого столетия ученые стали обсуждать возможность создания искусственного мозга. Были проанализированы сети «формальных» искусственных нейронов и показано, как они могут выполнять простые логические функции. В 1956 году было введено в оборот понятие искусственного интеллекта. Постепенно сформировались два основных подхода к его изучению. Один из них — программно-прагматический подход, в рамках которого построено множество систем распознавания образов, автоматических переводчиков, игровых программ, роботов и других прикладных систем. Однако они, решая свою узкую задачу, имеют мало общего с биологическим мозгом и не обладают его свойствами. Второй подход, бионический, был попыткой ученых понять, как работает живой организм. В рамках этого подхода некогда были придуманы искусственные нейронные сети, которые, впрочем, впоследствии почти потеряли сходство со своим биологическим прообразом, перейдя в разряд программно-прагматических методов.

На пути создания искусственных интеллектуальных систем без оглядки на устройство природы трудно добиться тех успехов, которых она добилась за миллионы лет эволюции. Основным свойством природных систем управления является их адаптивность – способность обучаться, “дообучаться” и переобучаться прямо в процессе управления, благодаря которой природа находит способы управлять объектами любой сложности. Такими свойствами сегодня искусственные системы управления практически не обладают. Они требуют либо предварительной настройки по математической модели, либо предварительного обучения на больших обучающих выборках.

Например, расчет полета межконтинентальной ракеты или орбитального спутника – сложнейший процесс, однако математически он достаточно простой. Но как только появляются помехи, неопределенности, изменяющиеся на ходу характеристики – традиционные системы управления, построенные на программно-прагматическом подходе, начинают работать крайне плохо.

«У человечества нет другого серьезного пути для развития, кроме как понять принцип работы природной адаптивной системы управления и этот принцип начать воспроизводить», — считает главный научный сотрудник Института точной механики и вычислительной техники РАН, профессор МФТИ Александр Жданов.

Группа Александра Жданова на протяжении последних десятилетий занималась описанием принципа работы мозга. Ими была проведена математическая формализация его работы. Построено множество примеров адаптивных систем управления – для мобильного робота, автопилота, подвески автомобиля, спутника, – с помощью которых показано, что разработанные группой алгоритмы работают. Система обучается непосредственно в процессе управления, как живой организм.

«Отличия нашего подхода от «искусственных нейронных сетей» начинаются уже с модели нейрона. Отдельный нейрон понимается в нашем «методе автономного адаптивного управления» как самостоятельная самообучающаяся система распознавания. Этот нейрон наблюдает за сигналами, которые поступают на его входы, и проверяет всё время два критерия. Первый критерий — структурный: не повторяется ли конфигурация, удовлетворяющая заложенному в нейрон требованию. При обнаружении сигнала, который удовлетворяет этому требованию, начинает проверяться статистический критерий. Если сигнал, который удовлетворил первому критерию, наблюдается достаточно много раз, то этот прообраз считается неслучайным, нейрон становится обученным, а образ сформированным. С этого момента нейрон меняет свое функционирование и приобретает способность распознавать этот образ при каждом его появлении», — поясняет Александр Жданов.

Однако главное отличие нейроноподобной системы «автономного адаптивного управления» от нейросетей в том, она решает задачу адаптивного управления, а искусственные нейросети – только задачу распознавания (или аппроксимации). Задача адаптивного управления требует не только распознавания, но и решения задач поиска и накопления знаний, моделирования эмоций, принятия решений и некоторых других.

Принцип работы нейрона Мак-Каллока — Питтса в обычных нейросетях другой. Нейрон является пороговым сумматором, и задачу распознавания решает не один нейрон, а вся сеть. Обучение выглядит так: на вход сети подается сигнал, соответствующий объекту из обучающей выборки. Для всех нейронов подобраны определенные веса на их входы. Дальше каждый нейрон суммирует каждый сигнал, умноженный на вес для данного входа. Эта сумма сравнивается с некоторой активационной функцией, и сразу выдается какой-то выходной сигнал. Затем, зная, что нужно получить на выходе всей сети, и видя, что на самом деле эта сеть выдала, по определенному алгоритму начинают меняться веса у всех нейронов в этой сети, чтобы сеть выдала нужный результат. И так происходит, пока все объекты из обучающей выборки не будут показаны помногу раз, и все веса не будут изменены, — пока сеть не начнет выдавать то, что от нее требуется.

Александр Жданов: «Одним из важных отличий человека от животных является наличие у человека языка. У биологических нейронов и у нашей модели нейронов есть свойство распознавать образ при наличии помех, когда не все входные сигналы от прообраза поступили на вход. Допустим, вы научились распознавать свою новую кошку по ее четырем лапам, хвосту и двум ушам. Через некоторое время вы уже ее распознаете, если даже не видите хвоста, потом достаточно двух ушей, из-за холодильника торчащих, – вы уже распознаете кошку. То есть, у вас не все сигналы от прообраза поступают, однако те нейроны, которые обучены распознавать кошку, ее распознают даже при неполной информации. Причем, чем больше времени пройдет, тем вы ее будете распознавать по меньшему количеству признаков с сохранением той же вероятности.»

 

Рис.1. Представление слова «слева». По оси X — время, по оси Y — частота звукового сигнала.


Оказывается, что это свойство можно использовать для идентификации. В работе описана следующая методика: если при наблюдении нейроном сигналов от реального объекта сопровождать его появление каким-то сигналом искусственного происхождения – звуком, картинкой, жестом – то, в конце концов, найдется нейрон, у которого эти два события начнут ассоциироваться. То есть наблюдение реального объекта и распознавания идентификатора станут для него связаны. Затем нейрон станет в состоянии распознавать этот же объект либо при наблюдении самого объекта, либо при предъявлении только искусственного идентификатора без предъявления объекта.

На примере мобильного робота авторы работы создали описанную систему. Робот видит какие-то препятствия на своем пути. Если сопровождать появление этих препятствий звуковыми идентификаторами: препятствие слева — говорить, что препятствие слева, и наоборот, — робот начинает распознавать эти препятствия вкупе со словами. И через некоторое время он начинает реагировать уже только на слова. Если он научится объезжать препятствие, то с какого-то момента можно будет беспричинно сказать, например, что препятствие слева – робот распознает образ препятствия слева и повернет вправо.

Рис.2. Пример сигналов в упрощенной модели: по оси X — время, а по оси Y — частота звукового сигнала.


«Мы поняли, описали и смоделировали момент зарождения языка. Дальше нам нужно снабдить идентификаторами образы, действия и эмоциональные оценки. И нужно это вот для чего. Есть два важнейших процесса использования языка, которые, в природе сильно отличают человека от других животных. Первый – это диалог человека посредством языка со своей или чужой базой знаний для многошагового принятия решений, моделирования будущего. Для этого нужен индивидуальный и коллективный язык. Второй процесс – передача знаний от одного индивида к другому. В процессе своего развития и адаптации система управления накопила данные, которые записаны в базе знаний в форме обученных нейронов. Обученные биологические нейроны – это нейроны с выращенными определенными синапсами. Пусть вам нужно передать эти знания от одного индивида к другому. У человека и живых организмов нет USB-разъемов, и считать базу знаний или записать ее никакой возможности нет. Ее можно только постепенно заполнить в процессе целенаправленного обучения с помощью учителя, который будет действовать через ваши штатные входы: глаза и уши. Поэтому язык, будь то русский, английский или язык жестов — единственный способ в природе передать знания», — заключает Александр Жданов.

 


Текст: пресс-служба МФТИ

Neuron-Like Approach to Speech Recognition

Diep, N.N. & Zhdanov, A.A. Program Comput Soft (2018) 44: 170. https://doi.org/10.1134/S0361768818030088

 

 

Как сделать «острее» потенциал действия?

Сотрудники ИВНД и НФ РАН совместно с коллегами из ИБХ РАН и Университета Сассекса выявили новый способ регуляции электрической активности нейронов с помощью располагающихся в синапсах нейрона калиевых ионных каналов BK-типа, чувствительных к кальцию и открывающихся под действием электрического потенциала. Опубликованные в журнале Science Advances результаты раскрывают механизмы, с помощью которых нейронная сеть без искажений передаёт высокочастотные сигналы, необходимые для точной детекции совпадений во времени.


Ученых давно интересовало, какие особенные свойства нейронов позволяют им генерировать и поддерживать сверхвысокочастотные импульсы (потенциалы действия) — до 200 раз в секунду и выше. За создание концепции, описывающей возникновение нервного импульса путем активации ионных каналов в 1963 году Ходжкин и Хаксли получили Нобелевскую премию по медицине.

Потенциал-активируемые ионные каналы это белки, пропускающие заряженные частицы (ионы) через мембрану, в результате чего генерируются электрические разряды, с помощью которых нейроны «разговаривают» между собой и передают команды, например, на сокращение мышц. При этом, электрическая активность мембраны нейрона не затихает сама собой, и чтобы всплеск потенциала прекратился, в конце каждого нервного импульса необходима активация особого типа каналов, пропускающих ионы калия и возвращающих заряд мембраны нейрона к его исходному значению покоя. От работы калиевых каналов зависит, насколько быстро мембрана нейрона восстановится и будет готова снова генерировать нервный импульс, а значит, и с какой частотой нейрон сможет передавать сигналы по своему аксону к другим нейронам сети.

В своем исследовании ученых из Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН и Университета Сассекса особенно заинтересовали нейрональные калиевые каналы BK-типа, чувствительные к внутриклеточному кальцию, и поэтому активирующиеся не сразу, а только после одного или нескольких предшествующих электрических импульсов, когда в клетку уже начинает поступать кальций. Это помогает нейронам поддерживать высокую калиевую проводимость даже при серийных разрядах, когда основной тип калиевых каналов, Kv1, уже значительно инактивирован. Особенное положение BK-каналов в аксоне и синаптических бутонах позволяет им «чувствовать» кальциевый сигнал в синапсах — запускаемых внутриклеточным кальцием «межнейронных передатчиках», с помощью которых нейроны посылают химические сигналы по цепочке друг-другу.

«Мы установили, что активация синаптической передачи нейроном сама по себе видоизменяет будущие электрические разряды в этом нейроне посредством очень быстрой обратной связи, — объясняет Евгений Никитин, руководитель группы биофотоники ИВНД и НФ РАН. –Повышение внутриклеточного кальция в пресинаптическом бутоне и первом перехвате Ранвье вызывает значительное снижение длительности отдельных потенциалов действия в этом нейроне посредством открытия калиевых BK-каналов, чувствительных к кальцию».

Чтобы установить, как внутриклеточный кальций меняет параметры разрядов нейрона, ученые использовали метод фотолитического высвобождения кальция из связанного фоточувствительного соединения, которым предварительно заполняли пирамидный нейрон пятого слоя зрительной коры крысы. Используя сканирующий микроскоп, ученые проецировали лазерный импульс длительностью десятки миллисекунд точно на пресинаптический бутон аксона, вызывая там локальное фотовысвобождение кальция и регистрируя его распространение по аксону с использованием флуоресцентного кальциевого индикатора. Одновременно, ученые регистрировали уменьшение длительности электрических импульсов в нейроне с помощью стеклянного микроэлектрода, внедренного в его мембрану. Эксперименты показали, что искусственно вызванная «кальциевая волна», сравнимая с эффектом от предшествующего электрического импульса, вызывает значительное сужение последующих импульсов в серии.

Однако, как исключить другие объяснения наблюдаемого явления и доказать, что за это ответственны именно калиевые каналы BK-типа? Здесь на помощь ученым пришел высокоселективный пептидный блокатор каналов BK-типа – Ибериотоксин, выделенный из яда индийского скорпиона Buthus tamulus. В присутствии Ибериотоксина в физиологическом растворе, омывающем нейрон, длительность нервного импульса под воздействием кальция не уменьшалась, тогда как другие блокаторы, в том числе блокаторы Kv1 каналов и синаптической передачи, на наблюдаемое явление не влияли. Ибериотоксин также нарушал структуру постсинаптических потенциалов, вызываемых активацией синапса в следующем нейроне в цепочке, что говорит о важности BK-каналов для поддержания пропорциональности синаптической передачи при серийных высокочастотных разрядах нейросети.

Исследование включало не только нейрофизиологическую, но и молекулярно-биологическую составляющую. В сотрудничестве с коллективом из ИБХ РАН под руководством Всеволода Белоусова было определено точное расположение наиболее близких синаптических бутонов аксона, способных повлиять на генерацию нервного импульса. Ученые трансфецировали нейроны пятого слоя зрительной коры с помощью «генной пушки», используя аминокислотную последовательность, определяющую внутриклеточный транспорт синаптического белка синаптофизина, соединенную с зеленой флуоресцентной («светящейся») меткой SypHer2. Далее, метку SypHer2 наложили с помощью лазерного конфокального сканирующего микроскопа на светящиеся контуры нейрона, подсвеченные с помощью другого флуоресцентного белка, tagRFP, что позволило увидеть расположение бутонов данного нейрона, из которых для дальнейших экспериментов выбрали наиболее близко лежащие к первому перехвату Ранвье.

По словам руководителя подразделения, члена-корреспондента РАН Павла Балабана, данная работа показывает важность потенциал-чувствительных каналов не только для процесса генерации нервного импульса, но и для динамической настройки его параметров при серийных разрядах. Если бы этого дополнительного механизма регуляции длительности импульса не существовало, синаптическая передача сигналов между нейронами могла бы перейти к неконтролируемой экскалации из-за увеличения длительности импульсов, вызываемого частичной инактивацией основных потенциал-зависимых каналов при высокочастотных разрядах.


Текст: ИВНД РАН

A BK channel–mediated feedback pathway links single-synapse activity with action potential sharpening in repetitive firing

Matvey V. Roshchin, E. Matlashov, Victor N. Ierusalimsky, Pavel M. Balaban, Vsevolod V. Belousov, György Kemenes, Kevin Staras, Evgeny S. Nikitin

Science Advances 04 Jul 2018:
Vol. 4, no. 7, eaat1357
DOI: 10.1126/sciadv.aat1357

 

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

В ДВФУ разработали новый магнитный стимулятор мозга

Новый магнитный стимулятор мозга разработал доцент Школы биомедицины Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) Борис Юнг. Предложенная технология позволяет безопасно, точно и дозировано воздействовать на глубокие структуры головного мозга для тренировки и развития нейроресурсов, восстановления утраченных функций, а также при когнитивных исследованиях.

Борис Юнг. Credit: ДВФУ

Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) — это стимуляция коры головного мозга с помощью коротких магнитных импульсов. Подробнее о методе вы можете прочитать в нашей специальной статье. Как отметил Борис Юнг, существующие сегодня аппараты ТМС не позволяют воздействовать на глубокие структуры, имеют много противопоказаний и побочных эффектов. Новый метод обеспечивает движение магнитного потока вне головы пациента по гибкому магнитопроводу. При этом центр вращения вектора индукции магнитного поля расположен непосредственно в зоне стимуляции мозга.

«Новый стимулятор представляет собой шлем, внутри которого расположена техническая база, — рассказал доцент департамента фундаментальной медицины ДВФУ, кандидат технических наук Борис Юнг. — Главное отличие от аналогов — безопасность и точность. Параметры стимуляции соизмеримы с естественными параметрами магнитного поля Земли и не превышают нормы СанПин, уровень электромагнитных помех значительно ниже. К тому же, новый метод позволяет воздействовать на глубокие структуры головного мозга с точностью до 1,5 миллиметров».

Ученый ДВФУ уже получил на свое изобретение три патента. На следующем этапе планируется создать прототип стимулятора, ведутся переговоры с одним из крупнейших заводов Дальнего Востока по производству аппаратов. Ориентировочная рыночная стоимость нового устройства будет в 7-9 раз ниже мировых аналогов, поэтому разработка имеет все шансы занять лидирующие позиции на рынке технических средств ТМС.


Текст: пресс-служба ДВФУ

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Филипп Хайтович: «Наш мозг ленив»

В России проходит первый научно-популярный фестиваль Pint of Science. Наука пришла в бары, где за кружкой пива ведущие ученые рассказывают о своих достижениях и о науке в целом. Научный редактор портала Indicator.Ru и по совместительству наш главный редактор Алексей Паевский  встретился с одним из лекторов фестиваля, профессором Сколтеха нейробиологом Филиппом Хайтовичем, и поговорил с ним о пиве, мозге, макаках и шизофрении. Интервью вчера было опубликовано на портале Indicator.Ru, теперь с ним делимся и мы: в чуть более расширенном варианте. Два года назад мы уже говорили с Филиппом: интересно, что изменилось в его работе?

Филипп Хайтович


— Поскольку мы говорим о Pint of Science, первый вопрос: пиво-то любите?

— (смеется) Нет, не люблю. И поэтому пью что-нибудь другое.

— Как вы готовили лекцию для такой, прямо скажем, нестандартной обстановки?

— Это всегда сложно — сделать лекцию, которая, с одной стороны, имела бы хорошее научное содержание, а с другой, была бы не полностью скучной и понятной, тем более люди с пивом приходят послушать не чисто научный доклад. Кстати, и чисто научную лекцию непросто сделать доходчивой, а чтобы она была еще и интересной — это уж совсем высокий уровень.

— Когда мы с вами встречались в прошлый раз, два года назад, на стене в кабинете висел список проектов, весьма обширный. Насколько все изменилось за это время?

— Вообще не изменилось, два года для нас не срок. Наш проект в среднем длится дольше.

— Тогда давайте подробнее. Один из ваших проектов был посвящен аутизму. Каких результатов вы смогли достичь в этой области?

— С изучением мозга пациентов с аутизмом результатов меньше, чем хотелось бы. Не так просто получать образцы мозга таких пациентов, даже плазму крови непросто получать. Мы сейчас работаем с большим количеством образцов пациентов с шизофренией, депрессией, биполярным расстройством, а вот с аутизмом почему-то сложнее.

Тем не менее мы сделали уже несколько пилотных работ на основе образцов мозга, которые мы получили от наших коллег из Америки, из Клиники Майо. И результаты очень интересные, потому что были попытки посмотреть на какие-то маркеры метаболических изменений, в основном в моче и частично в плазме крови, и всегда стоял вопрос, насколько это соответствует тому, что происходит в мозге, особенно при таком заболевании, как аутизм, ведь это не одно заболевание, а спектр, и там очень сложно разобраться.

 Мы сделали пилотный проект, в котором посмотрели на метаболиты в посмертных тканях мозга: на водорастворимые низкомолекулярные соединения и на липиды. При этом по первой группе соединений работы были по моче и плазме крови, а по липидам вообще практически не было. Интересно, что мы нашли очень хорошее соответствие того, что происходит в мозге, тому, что видно в моче и крови.

— А в мозге вы смотрите сплошной спектр, анализируя ткань целиком, без сортировки по клеткам?

— Да, без сортировки, «сплошняком», «рассортировать» постмортальные образцы по клеткам технически крайне сложно.

— Вы работаете только с посмертными образцами мозга?

— К счастью, аутистам лоботомию не делают…

— Я скорее про нейрохирургические образцы.

— А, если в этом смысле, то да, такой вариант возможен, но опять же, аутистам крайне редко выполняют нейрохирургические операции с извлечением здоровых тканей мозга. Если удаляют опухоль, то там сложно выделить здоровые клетки от некротизированных и опухолевых, а эпилепсия и аутизм крайне редко бывают одновременно.

— Вернемся на два года назад. Тогда у вас здесь был только кабинет и не было лаборатории…

— Теперь есть — отличная лаборатория!

— …и в связи с этим вопрос. Молекулы вы определяете масс-спектрометрически. А эксперименты с клеточными культурами у вас бывают?

— Мы же все хотим получить кусочек информации, недоступный другим. И то, что у нас сейчас есть, — это хорошо отработанная масс-спектрометрическая технология измерения концентраций низкомолекулярных соединений. На самом-то деле, технология эта очень старая, масс-спектрометрии более ста лет. Проблема в том, что эти измерения достаточно шумные (лучше сказать, очень шумные), и распознать соединения среди всего этого шума довольно сложно. Поэтому многие лаборатории обращают внимание не на все многообразие данных, которое есть, а на какие-то определенные пики, известные заранее, но это все равно, как раньше в генетике смотрели на какой-то конкретный ген или несколько генов…

Проблема в том, что, когда мы говорим об аутизме, мы не всегда знаем, какие именно соединения смотреть. И здесь мы пытаемся вычищать шум в масс-спектре и оставлять сигналы биологически значимых молекул. И у нас начинает получаться. Более того, мы уже научились более-менее правильно идентифицировать эти соединения, особенно для липидов. Это немногие умеют, таких лабораторий в мире очень мало, и мы хотим использовать это преимущество, чтобы посмотреть на этот аспект. А если мы будем работать с клеточными культурами, у нас нет никакого преимущества. Более того, у нас сейчас нет клеточной лаборатории. Ее можно было бы сделать, но мы сфокусировались именно на том, что умеем хорошо.

Даже не по аутистическому мозгу, по здоровому известно очень мало: как изменяется состав метаболитов мозга при взрослении, при старении, как различаются различные регионы мозга. Атласов нейронов достаточно много, а вот то, что происходит в этих нейронах, например, с точки зрения состава мембраны…

Представьте себе синаптическое соединение. С какой частотой там проходит сигнал? До сотен раз в секунду, это же громадная частота. И каждый раз работа синапса связана с мембранными процессами. Пузырьки с нейромедиаторами выбрасываются, синтезируются… Эти мембраны невероятно пластичны.

Синапс


 Обычно, когда мы представляем себе нейроны, мы представляем себе статичные амебообразные создания. Но ведь амебы тоже движутся. Нейроны, конечно, не ползают по мозгу, но тем не менее у них на мембранах постоянно идут разные процессы. И то, из чего эти мембраны сделаны, как эти процессы поддерживаются с точки зрения биохимии, — это очень важно. Но это как раз очень мало изучено. Я бы даже сказал, что на том уровне, на котором мы пытаемся это сделать, это не изучено вообще. Поэтому мы и движемся в этом направлении.

— Кроме аутизма, у вас был очень интересный проект, связанный с молоком. Расскажите о нем.

— Идея там достаточно простая: мы сравнивали метаболический состав префронтальной коры ребенка человека и других приматов: шимпанзе, макак, бонобо. Мозг в первые годы жизни растет, и было интересно понять, насколько это зависит от того, что ребенок ест. Тем более что в первые годы жизни гематоэнцефалического барьера между кровью и мозгом еще нет.

Теоретически ребенок должен питаться грудным молоком. Сравнительно недавно хороших альтернатив не было, а сейчас, когда появились адекватные замены, пошли самые разнообразные мифы: то ребенку надо давать много DHA (докозагексановая кислота, из класса Омега-3 полиненасыщенных жирных кислот, — прим. А.П.), то не нужно ее давать…

Понятно, что с точки зрения эволюции грудное молоко должно быть оптимизировано для развития мозга, но неизвестно, насколько это реально влияет и как то, насколько мозг человеческого ребенка отличается от мозга шимпанзенка или детеныша макаки, зависит от состава молока.

Сейчас все больше и больше становятся популярны молочные смеси, их по каким-то веществам, конечно, пытаются оптимизировать, но никто не смотрел отличия метаболические между мозгом ребенка и обезьяны. И мы пока не знаем, что является критическим, что обязательно нужно добавлять в коровье молоко, чтобы получить идеальную смесь для нормального развития мозга человека. Та же DHA, критична или нет? Может быть, без какого-то другого вещества она не будет полезна и не будет действовать?

Так вот, наше исследование от того, чтобы просто посмотреть различие коровьего молока и молока человека, отличает то, что мы параллельно смотрим на растущий мозг, сравниваем не просто с коровами, но и с обезьянами. Нас интересует, что уникально именно для человека, у нас есть образцы обезьяньего молока, человеческого…

— Сложно было получить обезьянье молоко?

— Очень сложно! Но мы справились с этой задачей.

— У вас же есть, кроме аутизма и молока, еще проекты? Какие?

— Вот сейчас мы заняты поиском метаболических изменений в плазме крови больных шизофренией, депрессией, биполярным расстройством. Это делается на образцах, которые собраны и хорошо охарактеризованы, половина из них собрана в Германии. Их достаточно много, больше тысячи. Еще половина собрана в Китае, правда, не по всей стране, а только в одном городе — Чунцине. Но в этом городе живет почти 30 миллионов человек.

Так что у нас есть китайская когорта, есть немецкая когорта, и по крайней мере для шизофрении мы нашли изменения. Самое главное то, что обе когорты коррелируют в этих изменениях, несмотря на все отличия между китайцами и немцами.

— А российская когорта будет?

— Будет! Мы уже ведем переговоры с российскими партнерами. Но в России проблема не с образцами пациентов, а с контрольными образцами. Не потому, что их нет (смеется), а потому, что у людей, которые работают с шизофренией или другими расстройствами, нет прямого доступа к людям без нарушений. Так что нужно будет решить некоторые логистические вопросы.

Поэтому российская группа будет, но, учитывая то, что Германия и Китай показывают схожие отличия, нет оснований считать, что российские шизофреники окажутся особенными, скорее, они займут подобающее место посередине.

— Есть ли у вас другие проекты?

— Да, есть еще один большой проект, который мы начали достаточно давно. Это липидная карта мозга. Конечно, мозг, как и остальное тело, в основном состоит из воды, но в отличие от других тканей в сухом остатке он процентов на 60 состоит из жира (в остальных органах преобладает белок). В мозге очень много мембран, есть сигнальные жирорастворимые молекулы. И это очень важно: жесткость мембран влияет на их динамику, на то, как в них плавают рецепторы, ведь рецепторы в мембранах нервных клеток похожи на корабли. И иногда, чтобы передать сигнал, им надо собраться вместе, образовать комплекс, к ним иногда присоединяются другие компоненты — снаружи или внутри. Если мембраны очень жесткие, то диффузия у них будет одна, если мембраны очень пластичные, жидкие, неорганизованные, — другая. Это очень сильно будет влиять на передачу сигнала в нейронах.

Клеточная мембрана


 Так вот, для установления липидного состава разных участков мозга вообще ничего не было сделано. Мы сделали это, липидную карту разных участков мозга не только человека, но и различных приматов: шимпанзе, макак и бонобо (карликовые шимпанзе, отделившиеся от шимпанзе более миллиона лет назад). Так что мы строим не только липидную, но и эволюционную карту мозга. Кроме этого, мы еще и строим карту экспрессии генов в разных участках мозга. Нас интересует и то, насколько есть корреляция между экспрессией генов и свойствами мембран в разных функциональных регионах мозга. И эту корреляцию мы уже обнаружили.Еще один интересный факт: мы изучили отличия в липидном составе регионов, которые формируют разные функциональные сети, например, сеть внимания. И те функции, которые более присущи именно человеку, более всего изменили липидный состав «своих» регионов по сравнению с мозгом бонобо, если брать за отправную точку мозг макаки. А более общие для всех сети примерно одинаково изменились у бонобо и человека по сравнению с макакой.

Бонобо


Но тут, конечно, нужно понимать, что мы пока что не знаем даже, какие липиды характерны именно для нейронов, а не для, скажем, астроцитов, не говоря уже про определенные типы нейронов. Так что еще очень много работы. В любом случае, карта уже почти готова, мы ею очень довольны, и она будет потом отдельным ресурсом выложена в сеть, подобно другим картам мозга. Карт мозга существует немало, но липидных пока нет.

— И последний, почти что личный вопрос. Мне часто приходится видеть, что нейробиологи очень узко погружены в свою тематику и не видят нейронауки широко. Поэтому часто важные работы, которые могли бы и их продвинуть, проходят мимо. Так ли это и что с этим можно сделать.

— Безусловно, это так. Увы, наш мозг ленив, и если можно что-то не делать, он не будет этого делать. Значит, надо как-то ставить ученых в позицию, когда им придется расширять свой кругозор.  Как именно — не знаю. Частично спасением являются конференции  — раз уж ты приехал, ты сидишь и слушаешь. Но не всегда.


Беседовал Алексей Паевский

 

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Филипп Хайтович: молоко для гения (два года назад)

Один из лидеров нейронаук в нашей стране – Филипп Хайтович, профессор Сколковского института науки и технологий (Сколтех) и руководитель группы сравнительной биологии в Институте Вычислительной Биологи в Шанхае. Да, все верно, он работает параллельно в России и в Китае. Главный редактор портала Алексей Паевский встретился с Филиппом в его лаборатории в Сколтехе перед фестивалем Pint of Science. Это интервью читайте завтра утром, а сегодня мы решили вспомнить наш разговор двухлетней давности, который проходил еще при предыдущей версии нашего издания — чтобы было с чем сравнивать. Тогда Алексей и Филипп говорили об общей направленности  работ сколтеховской лаборатории, которой тогда еще не было » в металле»  и особо — об одном из восьми проектов сколковской лаборатории: об исследовании молока, а также о том, какое отношение имеет коровье и человеческое молоко к neuroscience.

Филипп Хайтович


Филипп, как я понимаю, у вас сейчас две лаборатории  в Сколтехе и вКитае. Чем отличается тематика их работы?

Различия в том, что в Сколтехе пока нет биологических экспериментальных лабораторий. А значит, пока что нет и оборудования, которое может производить данные. Поэтому в Китае мы частично производим  экспериментальные данные, частично их анализируем, а в Сколтехе на данный момент у нас только анализ. Здесь мы исследуем данные, которые существуют в мире, ну и специфические, полученные в тех проектах, над которыми мы работаем.

На стене вашей лаборатории написаны названия восьмипроектов. Можете ли поподробнее рассказать о них?

Да, это восемь текущих проектов. Здесь в основном описаны проекты, которые связаны с последним изменением фокуса нашей группы.

Нужно понимать, что биологические данные бывают разных видов. Вы, наверное, знаете, что вначале все фокусировались на геноме, потом, после того как поняли, что расшифровывать функциональную значимость генома без дополнительной информации сложно, начали использовать то же самое секвенирование, чтобы расшифровывать и эпигеномы, и транскриптомы. То есть, изучать изменения хроматина и активность генов.

Мы тоже этим занимались, в основном разбираясь с активностью генов, немножко делали эпигенетику, фокусируясь на мозге человека. Даже есть более узкий фокус: нас интересуют те черты строения мозга, которые уникальны именно для человека.

Понятное дело, что мозг людей очень сложен, и сказать, что «я изучаю мозг человека» равносильно очень широкому заявлению «я изучаю вселенную». А вот если сказать, что вы изучаете отличие солнечной системы от других экзопланетных систем, тогда да, это гораздо проще, вы изучаете отличия.

На самом деле если сравнивать мозг человека с достаточно близкородственными видами, обезьянами, человекообразными обезьянами, то в структуре его отличий не так уж и много. А в том, как наш мозг работает, отличий гораздо больше.

Поэтому, с одной стороны, мы себе задачу упрощаем и, в то же время, она остается не менее интересной. Ведь если мы поймем, в чем разница в работе мозга человека от работы мозга шимпанзе, в принципе, остальное нас уже не особо интересует.

В том, как мозг шимпанзе работает, пусть разбираются другие. Поэтому мы используем методы секвенирования для того, чтобы посмотреть активность генов в мозге человека и сравнить ее у других видов.

Но тут тоже открылась весьма интересная вещь: мозг — это слишком сложная система, и просто знание активности генов само по себе не дает достаточно информации о том, что происходит. Поэтому в последние пару лет мы дополнительно стали смотреть на биохимические маркеры, которые еще более близки к самой активности мозга. Это метаболический состав, концентрация водорастворимых компонентов мозга. Таких компонентов известно множество: нейротрансмиттеры, аминокислоты…  Совместно с коллегами из Института Макса Панка мы разработали технологию, при помощи которой  можно измерять практически все метаболиты мозга,  в нем существующие, а также компоненты мембран мозга – ведь он, в отличие от других тканей, которые состоят из белков, большей частью состоит из липидов.

Липидные истории

Именно потому, что в мозге очень много мембран и эти мембраны играют очень важную роль (ведь все сигналы передаются через них), мы задались вопросом: можно ли посмотреть на липидный состав мозга, на его отличия. И это оказалось очень интересным и перспективным направлением. Выяснилось, что липидный состав мозга человека, взрослого человека, очень сильно отличается от состава мозга человекообразных обезьян и вообще обезьян. С другой стороны, оказалось, что эти мозговые липиды эволюционирует, сами концентрации липидов меняются очень быстро, настолько быстро, что мы даже не могли этого ожидать.

Кроме этого, выяснилось, что липидный состав мозга очень пластичен эволюционно, и это оказалось на самом деле очень нетривиальным. Посудите сами: структурные компоненты клеток должны быть очень консервативны. А тут выясняется, что их состав очень быстро эволюционирует. Комплекс липидов мозга меняется в ходе эволюции в пять раз быстрее, чем таковой в других тканях – например, если мы посмотрим на эволюционные изменения в мышцах или в почках. Там ведь тоже есть мембраны, и их состав также преображается от вида к виду, но в пять раз медленнее. И это очень необычно. Так вот, если мы посмотрим на аминокислотное строение мозга, на активность генов, на экспрессию его генов, мозг будет гораздо более консервативен, чем те же мышцы. А вот липиды видоизменяются.

Были ли работы, которые пытались посмотреть липидный составлюдей, замерзших, например,  5000 лет назад?

Вы знаете, у нас сейчас есть совместный проект: посмотреть липидный состав мозга мамонта. Если честно, у меня есть некоторые сомнения по поводу него, поскольку я не знаю, насколько хорошо это получится. Но  — посмотрим…

 Древние люди и животные — это очень интересно, но, на самом деле, со стороны исследования комплекса мозговых липидов есть еще очень много неизвестного для «современных», бытовых вопросов. Например, липидный состав мозга ребенка. Или нейродегенеративные расстройства, когнитивные проблемы: аутизм, шизофрения, изменения с возрастом при старении. Меняются ли липиды при этих заболеваниях?

На самом деле пока что очень мало работ на эту тему, хотя медики знают, что существуют определенные диеты, например — кетоновая диета, которая при определённых нервных заболеваниях действительно порой дает хорошие результаты. Люди знают, что при той же болезни Альцгеймера лекарства, влияющие на метаболизм, тоже иногда помогают.

Но, тем не менее, пока никто не знает, что происходит с метаболизмом мозга при старении, при аутизме, шизофрении. Поэтому здесь мы и сфокусировались. Естественно, мы параллельно смотрим и активность генов, это остается нашей базовой методикой.

Глия важнее нейронов?

А что вы скажете о масштабном проекте по изучению глии?

Да, это очень интересный проект. Нижний Новгород занимает тут лидирующую роль. Чем это исследование интересно? Тем, что глия всегда считалась как бы вторичной структурой мозга, никто на нее особо не смотрел. Все интересовались нейронными цепями, обращая внимание на то, как они сложно соединяются, и чем-то самоочевидным считалось, что именно нейроны и только они обеспечивают высшие мозговые функции. А глия представлялась чем-то вроде опилок, которые заполняют свободное место между нейронами. Естественно, сейчас мы уже знаем, что это не просто опилки или упаковочный материал. Мы уже понимаем, что глия тоже имеет важное значение, но вот что оно представляет из себя, какую роль играют астроциты и другие клетки, сколько этих ролей…

 Ведь глия тоже очень разнородна, она состоит из разных типов клеток. На самом деле, наши последние работы совместно с Курчатовским институтом, а именно, с лабораторией Константина Анохина (руководитель отдела нейронаук Национального исследовательскогоцентра «Курчатовский институт» —прим. ред.), демонстрируют, что у человека уникальные, специфические изменения коры мозга в основном затрагивают не столько нейроны, сколько как раз эти якобы «обслуживающие» клетки, астроциты, даже более того — они затрагивают и  эпителиальные клетки сосудов мозга. По идее, казалось бы, ну при чем здесь сосуды мозга? Ан нет, выяснилось, что там имеют место достаточно  радикальные изменения на молекулярном уровне, которые мы еще не понимаем. Однако, мы их уже нашли.

Что это меняет в работе мозга, мы пока не можем разглядеть, но, по крайней мере, видны очень четкие изменения, которые до этого никто не обнаруживал. Считалось, что это очень консервативные структуры, и ничего интересного там нет кроме того, что уже нашли. Поэтому никто особо то и не изучал. Теперь будут.

О генах, улитках и сложностях научной синергии

Итак, мы пришли к пункту вашего списка про астроциты. А это чтоза проект?

Это проект, который мы делаем совместно с Институтом высшей нервной деятельности, им также интересуется Константин Анохин. Наша лаборатория тут играет вспомогательную роль. Как вы знаете, наверное, существуют так называемые «ранние гены». Это что-то наподобие маркеров активных нейронов.

 Вот пример. Вы обучаете мышку находить путь в лабиринте, и, естественно, иногда сложно вставлять в мозг движущейся мышки электроды и узнавать при этом, какие именно клетки активируются. Однако, вы можете «зафиксировать мозг» на какой-то момент таким способом: просто по  активности ранних генов увидеть, какие нейроны были активированы. Конечно, это опосредованно, там есть некоторые проблемы, но вообще это хороший метод. Для мышей и крыс работает результативно, однако, для беспозвоночных, на которых работает Балабан (Павел Балабан  директор Института высшейнервнойдеятельности и нейрофизиологии РАН, заведующий лабораториейклеточной нейробиологии обучения  прим. ред.), таких маркеров до сих пор не было известно. В принципе, найти их очень легко, но, поскольку этим никто не занимался, даже никто не секвенировал геном улитки, то никто их и не нашел. Мы сделали анализ транскриптома улиток, сделали анализ работы генов улиток до и после активации нейронов и, действительно, нашли нужные гены, получив очень красивые и полезные результаты. Улитка ведь — очень удобный модельный организм для различных нейрофизиологических исследований. Сейчас коллеги проверяют экспериментально те гены, которые мы нашли. У меня нет сомнения, что «наши» гены — правильные, потому что очень хорошо «сработал» анализ.

В принципе, для нас это — вспомогательный проект, а для ученых, которые занимаются беспозвоночными — очень полезная информация. Теперь у них будут маркеры, и коллеги смогут видеть в системах пути активации нейронов в ответ на разные стимулы.

Даже обидно, что до нашей работы проблема не была решена. Это показывает достаточно малую синергию между разными областями науки.  Например, люди, которые занимаются биоинформатикой, секвенированием, могли бы это сделать очень легко, но они практически не сотрудничают с классическими нейробиологами, которые занимаются, например, улитками или дрозофилами. Если мы посмотрим на современную нейробиологию, то это одна из дисциплин, которая еще достаточно оторвана от Big Data. И только сейчас, благодаря большим проектам, американскому Brain Initiative, европейскому Human Brain Project, они начинают взаимодействовать больше с Big Data Scientists . На самом деле, в области мозга человека мы тоже видим подобные проблемы. Медики работают над мозгом, но они работают над его болезнями, а здоровым мозгом никто не занимается, потому что нейробиологи работают в лучшем случае с макаками.  И то это очень проблематично и дорого, так что их обычные объекты — мыши, крысы, дрозофилы, улитки, даже червяки. Иногда — рыбы. Но не человек.

Да, сейчас остро стоит проблема объединения разных областейнауки…

Это так, но развивать такое сотрудничество совершенно необходимо, потому что практически все работы, опубликованные в ведущих журналах: Science, Nature, Cell — сделаны на стыке нескольких дисциплин. Мы видим, что то, что принято называть биоинформатикой (хотя сейчас это уже, скорее, вычислительная биология) играет все более важную роль в науке. Нет,  конечно, я рекламирую эту область и потому, что сам этим занимаюсь, но я же стал этим заниматься вынуждено. По образованию я молекулярный биолог, заканчивал кафедру молекулярной биологии МГУ, однако, в то время в МГУ ещё ни о какой биоинформатике речи не шло. Это сейчас её там целый факультет… Пришлось как-то самому выкручиваться — работать-то с данными нужно было. И очень-очень часто многие направления упираются в подобный барьер из-за того, что нет специалистов, или они работают сами по себе.

Молоко и гематоэнцефалический барьер, которого нет

Еще один проект со стены, название которого очень интригует проект «Молоко». Что это такое?

Молочный проект — это действительно интересно. Мы с вами сейчас находимся в Сколково. Его особенность — желание делать что-то практически полезное. Этот проект — одна из наших попыток быть полезными. Это, конечно, не единственный «полезный» проект, у нас есть еще исследования по аутизму…

И всё—таки  молоко. Какое отношение имеет молоко к мозгу?

 Вы же знаете, что сейчас у многих или просто не хватает грудного молока, или они очень рано переключаются на искусственное питание, это сравнительно недавняя тенденция. Она поддержана широким распространением сухих молочных продуктов для детей, в них вроде как даже есть какие-то полезные добавки. Эти добавки иногда бывают на коровьем молоке, иногда на козьем, однако, молоко молоку рознь. Достоверно известно, что человеческое молоко отличается и от коровьего, и от козьего…  Производители говорят, что добавили к молоку то или иное, и теперь оно будет даже лучше, чем материнское. Но на самом деле полноценной исследовательской базы под этим нет, потому что, как я уже говорил,  технология анализа метаболитов, концентраций жиров создана сравнительно недавно. Раньше можно было определять в молоке наличие того или иного класса жиров, но не отдельных конкретных молекул. Сейчас можно.

А вот еще вопрос: для чего нужно материнское молоко в первую очередь ребенку? Для того, чтобы он рос? Или есть другие версии?

Еще там есть антитела  для иммунитета…

Да, конечно,  антитела  — это важно и нужно, но, всё-таки, основная функция молока — питание. А теперь ответьте мне, что растет у ребенка в первый год жизни активнее всего?

Мозг!

Именно! Тем человек и уникален, что он рождается всего с 25% по массе от взрослого своего мозга, в то время, как детеныш обезьяны рождается с 50%. У человека в первый год жизни мозг растет с той же скоростью, что и в утробе матери, эмбриональный рост продолжается даже после первого года, а затем уже наступает другая фаза, когда закладываются все эти пресловутые нейронные цепи, которые так важны для работы мозга.

А что есть в молоке для мозга? Казалось бы, ничего, ведь мы все знаем, что существует гематоэнцефалический барьер, который не пропустит ничего особенного. Есть, но не у ребенка. На самом деле никто не знает, когда точно, но у людей он возникает чуть ли не в 5 лет жизни, то есть совсем не сразу после рождения и, тем более, не в утробе. А во-вторых, барьер-барьером, но некоторые типы жиров через него все равно проходят, но суть даже не в этом.

Буквально в феврале 2015 года вышла наша статья в Neuron, которая показывает, что жировой состав мозга человека отличается даже от наших ближайших родственников: шимпанзе и макак, про коров уж и говорить нечего. И нам захотелось понять, насколько важно для наших детей, человеческих детенышей, чтобы они пили именно человеческое молоко. Потому как понятно, что они вырастают, и никаких сильных проблем от искусственного кормления не возникает, но хотелось бы понять, насколько оно делает рост и формирование мозга неоптимальным. Ведь одно дело, скажем, ребенок мог стать гением, а он — всего лишь умница, или отличником, а он — всего лишь хорошист.

Мы не говорим, что вот, смотрите, вы покормили ребенка искусственным молоком и — «о, у него проблемы», отнюдь. Мы спрашиваем: насколько же оптимально мозг и молоко за тысячи и миллионы лет эволюции притёрлись, чтобы одно подходило к другому? И что происходит, когда мы начинаем кормить ребенка молочными смесями, которые изготовлены на коровьем или козьем молоке? Они ведь оказываются оптимизированными совсем не для роста человеческого мозга, а для роста мозга теленка, козленка.

Именно поэтому мы ищем эти ключевые соединения в молоке, пытаемся установить, что это за соединения, насколько они важны, и, в принципе, если мы их найдем, можно будет создать новую молочную смесь, более эффективную для развития мозга ребенка. Но — на основании полного  систематического анализа человеческого мозга и того, чем он отличается от других, что в нем консервативно, а что — нет. Ведь если что-то консервативно (а многое в мозге консервативно), то никакой проблемы нет, а вот если что-то отличается, надо установить, что именно и почему. И что нам нужно в обязательном порядке добавлять в те молочные смеси, которыми мы кормим детей. Потому что без этого мозг работает не совсем оптимально. Это мы и хотим понять.

В принципе, это совершенно реальная задача, технологии все присутствуют…

Но это если изучать молоко. А как быть с мозгом младенца?

Конечно же, мы говорим не про живой мозг. Существует очень давняя традиция создавать Brain Banks или хранилища мозговой ткани, она уходит корнями в начало нейробиологии, когда срезы мозга фиксировали, начиная с мозга Ницше, Ленина, Эйнштейна, других деятелей… В мире существуют большие коллекции мозговых тканей, и мы уже такими коллекциями воспользовались, не нашими, российскими, к сожалению, а европейскими и американскими.

С другой стороны, какая разница, человек в Европе, он и человек в принципе. А вот для обезьян  пришлось сделать нашу собственную подборку — для человекообразных обезьян, что было не очень просто. Так что мозг у нас был. Больше проблем вызвало материнское молоко. Мы собирали его в России, Китае, Германии. Собрать молоко у обезьян было еще сложнее, но мы справились и с этой задачей.

И как результаты? Вы же не первые смотрели состав молока?

Конечно, проводилось много исследований состава молока. Но на что люди смотрели? На общее количество классов веществ. Сколько всего белков, сахаров, липидов. По липидам отдельно смотрели раскладку по классам, определяли, сколько холестерина, сколько гликолипидов. Но это же громадные классы липидов! А у нас сейчас есть возможность «увидеть» каждую молекулу жира.

Какими «глазами» это можно увидеть?

Масс-спектрометром, совмещенным с высокоэффективной хроматографией ультравысокого давления. На самом деле методика сама по себе не очень сложная, просто усовершенствовалась. Хроматография и раньше была хорошей, но медленной. Раньше если нам нужно было анализировать, скажем, 500 образцов, на это уходило 100 дней. А потом еще после хроматографии шёл масс-спектрометр. Сейчас же все идет быстро, масс-спектрометр очень точно всё анализирует.

Конечно, в современных условиях «бутылочным горлышком» становится анализ данных, но мы же биоинформатики, мы можем с этим справиться. Так что будем ждать интересных результатов.

О том, что изменилось за два года, читайте в нашем завтрашнем выпуске.

Беседовал Алексей Паевский

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Стволовые клетки помогут регенерации спинного мозга

Исследователи Института фундаментальной медицины и биологии Казанского федерального университета показали, что мезенхимные стволовые клетки, выделенные из жировой ткани, стимулируют регенерацию и приводят к восстановлению функций поврежденного спинного мозга. Как выяснили ученые, для эффективного лечения достаточна простая аппликация клеток в составе фибринового матрикса, не требующая инъекции или других дополнительных хирургических процедур. Статья опубликована в журнале Frontiers in Pharmacology.

Активация астроцитов в месте травмы — в левой колонке интактный контроль


Авторы работы на модели контузионной травмы (ушиб) спинного мозга крыс провели исследование по влиянию трансплантации мезенхимных стволовых клеток на восстановление травмированной ткани и проведение сигналов между нервными клетками. Данный вариант терапии оказывал позитивное влияние на восстановление двигательной функции, уменьшал площадь патологических полостей, формирующихся вследствие повреждения, и снижал реактивность астроцитов – главного компонента глиального рубца в месте травмы, препятствующего росту аксонов.

 Известно, что травма спинного мозга приводит к потере чувствительной и двигательной функции ниже места поражения, при этом большая часть пациентов в результате травмы становится инвалидами. По словам руководителя группы Яны Мухамедшиной, на сегодняшний день, несмотря на большое количество доклинических исследований в области клеточной терапии, существует необходимость по разработке методов лечения, которые были бы максимально приближенны к практическому применению в клинике.

«Во-первых, мы выбрали модель контузионной травмы спинного мозга, так как нейрохирурги чаще всего сталкиваются именно с этим видом травм. Во-вторых, жировая ткань является доступным источником получения стволовых клеток. Процедура липосакции (забора жировой ткани) минимально травматична, часто люди подвергаются ей добровольно с эстетической целью. По этой же причине возможна их аутологичная трансплантация, когда больному вводят его собственные клетки. Это исключает отторжение клеток и снижает постоперационные осложнения. В-третьих, важное значение имеет способ трансплантации стволовых клеток. В нашем случае, это неинвазивное наложение мезенхимных стволовых клеток на область травмированного спинного мозга совместно с фибриновым матриксом. По своей сути, это стандартный хирургический клей, который часто используют в медицине. Трансплантация клеток в виде аппликации на область травмы не требует дополнительных инъекций или хирургических манипуляций, которые могут привести к дополнительному повреждению спинного мозга.  Таким образом, собственные мезенхимные стволовые клетки пациента можно трансплантировать в ходе повторных операций, которые нейрохирурги проводят по тем или иным показаниям», — говорит Мухамедшина.

Немаловажное значение играет тот факт, что авторы работы исследовали эффективность трансплантации стволовых клеток не в острый период травмы спинного мозга, а спустя несколько недель после его повреждения. Ведь далеко не всегда есть возможность провести трансплантацию непосредственно сразу после травмы, во время первой хирургической операции по декомпрессии и очистке области повреждения. В то же время, пациенты часто нуждаются в повторных плановых операциях, в ходе которых как раз и можно применить разработанную технологию.

«Полученные нами результаты по неинвазивной клеточной терапии травм спинного мозга открывают широкие возможности для лечения этого важного социально значимого заболевания. Метод запатентован и мы надеемся на быстрое его внедрение в клиническую практику. Единственная преграда на нашем пути, это недостаточная проработка действующего закона о биомедицинских клеточных продуктах. Как только будут приняты все подзаконные акты и другие нормативные документы, мы приступим к клинической апробации метода», — отметил профессор КФУ Альберт Ризванов.


Текст: КФУ

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтакте и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Стволовые клетки мозга обновляются ограниченно

Дискуссия о нейрогенезе в гиппокампе продолжаетеся. Группа учёных из МФТИ, университета Стони Брук и лаборатории Колд Спринг Харбор пронаблюдали, как делятся и расходуются нейральные стволовые клетки в гиппокампе у мышей – области мозга, критически важной для обучения и памяти. Оптимистичные прогнозы о наличии симметричного деления – когда из одной стволовой клетки получается две – не подтвердились. Если такое деление и происходит, то не более чем в десяти процентах случаев. Это значит, что восполнение стволовых клеток, которые могли бы дать начало новым нейронам – редкий или вовсе не происходящий процесс. Кроме этого учёные определили пространственные особенности исчезновения стволовых клеток в стареющем мозге. Статья опубликована в Scientific Reports.

Фото. Нейрогенная ниша гиппокампа. Зелёным изображены стволовые клетки (Nestin-GFP) – красным – астроцитарный белок (GFAP). Трёхмерная реконструкция серии конфокальных изображений. Предоставлено авторами исследования 


Ольга Минеева, сотрудник лаборатории стволовых клеток мозга МФТИ , комментирует: “Полученные нами результаты в первую очередь говорят о том, что в нормальном зрелом мозге способность гиппокампальных стволовых клеток к обновлению путём симметричных делений ограничена. А увеличение тотального количества стволовых клеток не происходит вовсе или не сказывается значительно. Эти результаты требуют критического пересмотра ряда исследований, которые показали наличие симметричных делений нейральных стволовых клеток гиппокампа”.

Хотя сейчас не утихают споры о возможности появления новых нейронов во взрослом мозге у человека, их генерация в мозге других взрослых млекопитающих признана неопровержимым фактом. Процесс образования новых нейронов из стволовых клеток называют нейрогенезом. После того как рост и развитие молодого мозга завершены, у большинства взрослых млекопитающих в мозге остаются лишь две области, сохраняющие стволовые клетки, ответственные за нейрогенез: тонкий слой в стенке боковых желудочков мозга (или субвентрикулярная зона) и тонкий слой в зубчатой извилине гиппокампа (или субгранулярная зона). Вторая зона вызывает особый интерес исследователей, так как находится в гиппокампе, работа которого критически важна для реализации важнейших когнитивных функций, например, обучение, память и эмоциональное поведение. При этом современные данные показывают, что и сам нейрогенез в гиппокампе может быть важен для осуществления этих функций. Но также известно, что с возрастом количество нейральных стволовых клеток в гиппокампе падает. Поэтому перед исследователями встаёт целый ряд вопросов: как сохраняется пул этих стволовых клеток в ходе онтогенеза, каковы механизмы его поддержания и обновления, и, главное, можно ли повлиять на эти процессы и тем самым продлить интенсивный нейрогенез до глубокой старости, а значит и продлить молодость мозга.

Ключом для ответа на эти вопросы может стать выяснение того, как делятся стволовые клетки во взрослом мозге. Теоретически деление нервной стволовой клетки может происходить двумя способами (Рис. 1). Первый вариант — когда из одной стволовой клетки получается две такие же стволовые. Такого рода деления, когда из материнской клетки образуются две подобные ей дочки, называются симметричными. Второй вариант – когда из одной стволовой клетки получаются две дочки, одна из которых – такая же как материнская, а вторая становится предшественником нейрона. Такие деления принято называть асимметричными. Стволовые клетки могут делиться преимущественно одним способом, либо использовать оба типа делений для генерации нейронов. Как видно, способ деления стволовых клеток определяет общее число стволовых клеток, а следовательно, расходуется ли резерв стволовых клеток, с какой скоростью, может ли он быть восстановлен или даже увеличен.

Так, если стволовые клетки гиппокампа часто делятся симметрично, значит их пул может самоподдерживаться и восстанавливаться. Потенциально, фармакологическая индукция симметричных делений может даже увеличить стволовой резерв. Если же симметричные деления – крайне редкое событие, а в основном происходят асимметричные, то активация деления стволовых клеток после периода покоя приведёт к неизбежному исчезновению самих стволовых клеток. Данные о снижении числа стволовых клеток с возрастом косвенно свидетельствуют в пользу второго «пессимистичного» сценария и возможного отсутствия симметричных делений. Но как исследовать этот вопрос напрямую? Необычное решение было предложено группой учёных из МФТИ, университета Стони Брук и лаборатории Колд Спринг Харбор.

Рисунок 1:Типы деления клеток. При симметричном делении (слева) из одной стволовой клетки (зелёные) образуются две такие же стволовые, а при асимметричном (справа) – образуется одна стволовая клетка и предшественник нейрона (красная клетка) или астроцит (фиолетовая клетка).


Авторы выявляли делящиеся клетки классическим для такого рода исследований способом, а именно вводили экспериментальным животным синтетический аналог нуклеотида тимидина – бромодезоксиуридин (БрдУ), который встраивается в удваивающиеся цепи ДНК клеток во время их деления. О том, что поделились именно стволовые клетки гиппокампа судили по другому маркеру – зеленому флуоресцентному белку (GFP), синтез которого находился под контролем регулирующей последовательности гена белка нестина – маркера стволовых клеток. От других предшественников нейронов стволовые клетки отличает их особая узнаваемая форма – они имеют крупное тело и один длинный апикальный отросток, сильно ветвящийся сверху. Таким образом, если в зубчатой извилине гиппокампа происходят симметричные деления стволовых клеток, такие деления на срезах можно увидеть, как пару близкорасположенных зеленых клеток с крупным апикальным отростком и с БрдУ в ядрах. Однако меченые клетки могут оказаться рядом не только из-за симметричного деления. Они могут быть потомками не одной клетки, а двух разных соседствующих клеток, каждая из которых поделилась асимметрично (Рис.2). Возникает вопрос, как различать эти две ситуации.

Рисунок 2: На срезе мозга находятся помеченные БрдУ стволовые клетки (фрагмент посередине) среди множества неделящихся или покоящихся стволовых клеток (светло-зелёные). Такие меченые пары могут встречаться или из-за активации асимметричного типа деления двух неродственных стволовых клеток, находящихся рядом (вариант слева), или из-за симметричного деления одной стволовой клетки (справа). По рисунку, предоставленному Ольгой Минеевой, автором статьи.


Учёные придумали статистический метод, с помощью которого можно оценить, случайно ли меченые клетки оказались рядом или не случайно. А именно, вследствие их происхождения от двух разных материнских клеток, поделившейся асимметрично (Рис. 1, лев. часть) или от общей материнской клетки, поделившейся симметрично (Рис. 1, прав. часть). Суть метода заключалась в измерении реально наблюдаемой вероятности обнаружения пар меченых стволовых клеток и её сравнении с полностью случайной вероятностью, которую можно искусственно смоделировать в общей популяции стволовых клеток. В результате, если реально наблюдаемое число пар будет выше смоделированного случайного, то это значит, что возникновение не всех пар можно объяснить случайностью, и часть из них образовались в результате симметричных делений.

Для того, чтобы измерить реальное и смоделированное случайное число пар клеток, на микроскопических изображениях срезов находили местоположение всех стволовых клеток, содержащих и не содержащих маркер делений БрдУ. Таким образом, для каждой клетки было определено её положение в пространстве. Затем по полученным координатам определяли расстояния между парами реально наблюдаемых меченых клеток и число пар клеток на конкретных расстояниях (Рис. 3А). Затем искусственно моделировали случайное распределение меченых клеток для сравнения. Для этого использовали все положения, в которых могли появиться меченые клетки, т.е. координаты всех делящихся и неделящихся стволовых клеток. Из списка координат с помощью генератора случайных чисел выбирали такое же количество клеток, что наблюдалось на срезе в действительности, и условно принимали их за меченые. Получался тот же срез, но теперь уже с псевдо-мечеными клетками, разбросанными на нем случайным образом (Рис.3Б). Допустим, если мы увидели 11 меченых клеток на срезе (как на Рис.3А), то среди всех возможных позиций будет разбросано 11 псевдомеченых клеток (Рис.3Б) и рассчитано распределение расстояний между ними. Эта операция была повторена много раз для получения статистики со всех срезов. Сравнив реальное распределение с моделируемым случайным, авторы увидели, что они не отличаются друг от друга. Однако отсутствие различий между реальной и случайно сгенерированной картиной могло быть связано с низкой чувствительностью метода. Чтобы проверить это, исследователи попробовали добавлять в модель заданное количество пар сближенных делящихся клеток и оценить, сколько симметричных делений нужно, чтобы новое искусственно сгенерированное распределение начало отличаться от случайного. Получилось, что нужно добавить больше 10% событий симметричных делений. Из этого учёные сделали вывод о том, что в реальном взрослом гиппокампе симметричных делений нервных стволовых клеток не происходит, или же они происходят, но крайне редко, и их доля составляет не больше 10%.

Рисунок 3: Схема расположения стволовых реальных клеток на срезе и в модели. Серые точки – неделящиеся стволовые клетки. Чёрные точки – реально обнаруженные меченые клетки. Голубые точки – случайно разбросанные псевдомеченые клетки.


Этот же метод авторы применили, чтобы описать исчезновение стволовых клеток с возрастом. Чем старше мышь, тем меньше стволовых клеток остаётся в нейрогенной зоне гиппокампа. Например, у семимесячной мыши их в девять раз меньше, чем у двухнедельной, и в пространстве, где поначалу были стволовые клетки, в нейрогенном резерве обнаруживаются пустоты.

Авторы смоделировали старение нейрогенной зоны мышиного гиппокампа, проделав ту же самую операцию случайного перебора, что и в первом эксперименте. Однако теперь, среди всех доступных клеток у молодых мышей они случайно выбирали и оставляли то количество, которое в действительности наблюдалось в гиппокампе у семимесячной мыши. Оказалось, что оставшиеся стволовые клетки в настоящем гиппокампе семимесячных мышей распределены более равномерно, чем случайно выбранные. На основании этого исследователи делают вывод о том, что исчезновение стволовых клеток гиппокампа зависит от их положения в пространстве: клетки, расположенные поблизости друг от друга имеют больший шанс к скорому исчезновению, что приводит к пустотам в слое стволовых клеток. Более того, учёные выяснили, что в разных отделах гиппокампа стволовые клетки расходуются с разной степенью неравномерности. Интересно то, что разные зоны гиппокампа отвечают за разные когнитивные функции. Однако учёные не спешат связывать такое исчезновение стволовых клеток с функциональными особенностями – возможно, это связано с более простыми факторами, как например, распределение сосудов.

Последняя работа этих авторов новым способом подтвердила ранее выдвинутое предположение о том, что стволовые клетки не могут обновляться бесконечно. Ранее, на основе других данных, авторами настоящего исследования была выдвинута концепция, согласно которой каждая стволовая клетка, выйдя из состояния покоя, проходит ограниченное число клеточных делений, давая начало новым нейронам и астроцитам, но не новым стволовым клеткам (Encinas et al., 2011). Важное следствие этой концепции о невосполнимости пула покоящихся стволовых клеток гиппокампа — возможное негативное влияние веществ, активирующих деления стволовых клеток, на нейрогенез в гиппокампе в долгосрочной перспективе. Так, увеличивая нейрогенез через усиленное рекрутирование стволовых клеток, эти факторы могут вызывать преждевременное истощение нейрогенной ниши, и как возможное следствие этого – к когнитивным нарушениям из-за последующей нехватки новых нейронов.

Рисунок 4: A) Оставшиеся стволовые клетки у 7-месячной мыши. В) Стволовые клетки 2-недельной мыши, среди которых случайным образом выбрано (голубым) такое же количество клеток, которое осталось у 7-месячной. C, D) Реальное распределение расстояний между ближайшими клетками (красным) отличается от случайного (голубым).


Григорий Ениколопов, заведующий лабораторией стволовых клеток мозга МФТИ:  «Тотального запрета на симметричные деления может и не быть, и увеличение стволовых клеток в количестве возможно при определённых условиях. Поиск таких воздействий, стимулирующих деление и обновление нейральных стволовых клеток, но одновременно не истощающих их пул преждевременно, должен продолжаться».


Текст: пресс-служба МФТИ

Spatial geometry of stem cell proliferation in the adult hippocampus
Olga A. Mineyeva, Grigori Enikolopov & Alexei A. Koulakov
Scientific Reportsvolume 8, Article number: 3444 (2018)
doi:10.1038/s41598-018-21078-6

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтакте и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.