Как водоросли совершили революцию в нейробиологии
Нобелевская премия по физиологии и медицине 2026 года присуждена Карлу Дейссероту (США), Петеру Хегеманну (Германия) и Георгу Нагелю (Германия) «за открытия, связанные со светочувствительными ионными каналами, и работы в области оптогенетики»
Как изучать мозг? Для начала нужно описать его анатомию: форму, размеры, извилины и борозды, отделы и подотделы. Разглядывая в микроскоп его клетки, можно увидеть, что внешне они отличаются друг от друга и что в разных частях мозга разные клетки встречаются в разных пропорциях. Если имеются образцы мозга с повреждениями и аномалиями, то можно попытаться связать их с неврологическими и психическими отклонениями. Нейроны, как известно, генерируют электрохимические импульсы, и эти импульсы удаётся регистрировать с помощью методов электрофизиологии. Например, благодаря ЭЭГ (электроэнцефалографии) видна суммарная электрическая активность мозга в виде различных волн, или ритмов — альфа, бета, гамма и других. Активность определённой группы нейронов можно записать с помощью тончайших электродов, временно внедрённых прямо в живой мозг. Наконец, есть целый комплекс методов магнитно-резонансной томографии (МРТ), когда активность различных участков мозга оценивают по притоку крови к ним. Кстати, и МРТ, и ЭЭГ используются для изучения активности в разных ситуациях: когда мозг бодрствует и когда спит, когда он управляет мышцами и когда пытается что-то запомнить, и так далее и тому подобное. Однако у всех этих методов есть одна проблема. Работа мозга складывается из работы множества нейронов и нейронных цепей, которым достаточно всего лишь доли секунды, чтобы обменяться информацией. Если мы хотим убедиться, что активность конкретных нейронов обуславливает конкретное поведение или эмоцию, или когнитивную функцию, мы должны подействовать именно на эти нейроны, причём в живом мозге, чтобы индивидуум был способен продемонстрировать поведенческую реакцию. Запись суммарных электрических ритмов и эксперименты с МРТ, по большому счёту, являют нам лишь корреляцию между нейрофизиологическими и поведенческими феноменами. От этих корреляций можно добраться до причинно-следственных связей и узнать кое-что о нейронных механизмах работы мозга, но лишь до определённой степени.
Как можно подействовать на нейроны? На нейронной клеточной мембране есть электрический потенциал, так как по обе стороны мембраны разные ионы пребывают в разных концентрациях. За этими концентрациями следят особые мембранные белки — ионные насосы и ионные каналы. Перегруппировка ионов может создать потенциал действия, когда электрические изменения начнут распространяться на соседние участки мембраны и возникнет нейронный импульс. Чтобы вызвать подобную реакцию, надо подействовать чем-то на мембранный аппарат, который распределяет ионы по обе стороны мембраны.
Это воздействие должно быть очень быстрым, потому что если на стимуляцию нейрона уйдёт слишком много времени, будет трудно понять, чем обусловлены его импульсы — этим воздействием или сторонними сигналами (ведь всё это происходит в живом мозге). Кроме того, если задача — подействовать сразу на группу нейронов, то стимул должен достигать их всех одновременно. Реакция должна быть обратимой: когда воздействие прекращается, нейроны без проблем возвращаются в исходное состояние. И, конечно, стимул должен быть специфичным, то есть действовать только на те нейроны, которые интересуют исследователей. Тут важно помнить, что хотя нейронов существует множество разновидностей, ионные насосы и каналы у них одни на всех.
Нервные клетки непосредственно реагируют на электрические импульсы, которые им можно посылать с помощью микроэлектродов. Но на эти импульсы будут отзываться все нейроны, которые находятся рядом с электродом, к какому бы типу они ни принадлежали. Нейроны также непосредственно реагируют на различные химические вещества, в первую очередь на нейромедиаторы. Однако с химическими стимулами тоже возникнет проблема специфичности; кроме того, нейроны могут реагировать на них по-разному из-за различий в локальной концентрации: у одних нейронов стимулирующего вещества будет больше, у других — меньше, потому что вещество до них ещё не додиффундировало. И потом, как остановить такой стимул? Добавлять новое соединение, которое будет перебивать эффект предыдущего? Всё это сложно и ненадёжно. Сами нейроны, конечно, общаются друг с другом нейромедиаторами. Но нервные клетки всё-таки не заливают нейромедиаторами всё вокруг — они у них работают в синапсах, специфических сложных межклеточных контактах.
Слишком медленный свет
В конце 1970-х — начале 1980-х годов Фрэнсис Крик, которого мы знаем как одного из первооткрывателей двуспиральной структуры ДНК, погрузился в нейробиологию. Довольно быстро он пришёл к выводу, что для того, чтобы лучше понять работу мозга и психические феномены, нужно уметь точно воздействовать на определённые группы нейронов. В качестве стимула Крик предложил свет. Предложил сугубо теоретически — эта идея явно опережала своё время. Световые импульсы действительно могли бы стать наиболее подходящим раздражителем для нейронов: свет распространяется быстрее любого нервного сигнала, он одновременно доберётся до всех изучаемых нейронов, и его легко выключить, прекратив стимуляцию. Но прежде нейроны, образно говоря, нужно снабдить «глазами», то есть сделать их чувствительными к свету. Это значит, что фотоны должны как-то действовать на мембранные белки нейронов, управляющие ионными потоками.
Казалось бы, в чём проблема: у нас есть фоточувствительные клетки в сетчатке, так что давайте каким-то образом запустим гены фоточувствительного аппарата в интересующих нас нейронах. Пусть во времена Крика биотехнологии ещё не были настолько развиты, но к концу 1990-х подобные вещи были вполне возможны. И на рубеже XX—XXI веков молекулярный «зрительный аппарат» фоторецепторов действительно удалось успешно пересадить в обычные нейроны, сделав их светочувствительными. Однако нужно помнить, как именно фоторецепторы глаза генерируют нервный импульс. Да, падающий свет вызывает в них то самое перераспределение ионов на мембране. Но световые фотоны действуют не на сами ионные каналы, а на родопсин, то есть на белок опсин, с которым связан ретиналь, или ретинальдегид, представляющий собой производное витамина А. Свет заставляет ретиналь изменить пространственную конфигурацию. Эту смену конфигурации чувствует связанный с ним опсин, взаимодействующий с белком из группы G-белков, которые в целом специализируются на передаче всевозможных молекулярных сигналов. От сигнального белка отделяется часть, которая взаимодействует с ещё одним белком-посредником. Этот посредник начинает активно выполнять некую биохимическую реакцию, из-за которой в клетке рядом с мембраной падает концентрация небольшой сигнальной молекулы под названием циклоГМФ. И вот только сейчас мы доходим до ионных каналов, потому что они как раз чувствительны к уровню циклоГМФ.
На самом деле всё сложнее, поскольку тут задействованы каналы для разных ионов — работа одних каналов влияет на работу других — и импульс возникает не на самом фоторецепторе, а на нейроне, которому фоторецепторная клетка сообщает, что она что-то почувствовала. Но эти детали нам сейчас не очень важны, как неважны названия всех сигнальных молекул-посредников. Главное, что между фотоном и появлением нервного импульса есть сложная цепочка сигнальных посредников, которые переводят фотон в нервный импульс или, говоря иначе, обеспечивают зрительную фототрансдукцию. А чтобы прервать генерацию фотосигнала и вернуть всю систему в первоначальное состояние, требуются дополнительные молекулярные процедуры.
Дело даже не в том, что в нейроны трудно пересадить нужные гены. В экспериментах, в которых пытались идти этим путём, в нервные клетки млекопитающих пересаживали фотосигнальные гены дрозофилы — у беспозвоночных цепочка фототрансдукции построена по тому же принципу, хотя и с существенными отличиями*. Нейроны млекопитающих в этих исследованиях действительно становились чувствительными к свету. Но на генерацию сигнала по «глазной» схеме, с участием молекул-посредников, уходит как минимум несколько миллисекунд. Фоторецепторы в силу особенностей работы могут себе позволить такую задержку, но для экспериментов в недрах мозга это слишком большой временной зазор. Кроме того, чтобы такая система функционировала, в нейронах должны скоординированно работать сразу несколько крупных генов, кодирующих составные части фоточувствительного аппарата, что представляет собой отдельную методическую задачу. Наконец, здесь всё равно требовалось какое-то вещество, которое служило бы антенной для фотона. Это мог быть вышеупомянутый ретиналь или другие молекулы, способные связаться с нужным белком в мембране и влиять на его структуру после получения светового сигнала. Молекулы-антенны нужно было вводить в мозг, к модифицированным нейронам. Возникали те же проблемы, о которых говорилось выше в связи с химической стимуляцией: даже если молекулы диффундируют быстро, всё равно разные клетки будут получать их с разной скоростью; образуется градиент концентрации, влияющий на активность нейронов; наконец, есть вероятность, что соединения эти будут разрушаться с большей или меньшей скоростью, что опять же будет влиять на то, как ведут себя нейроны.