Генетическая карта мозга

Когда вы читаете этот текст, ваши глаза просматривают страницу, выявляя стимулы, имеющие определенный смысл. Сердце в это время сокращается и расслабляется, диафрагма поднимается и опускается, контролируя дыхание, мышцы спины напряжены, чтобы поддерживать осанку. Кроме того, у вас протекают тысячи других сознательных и бессознательных процессов. Все это контролируется примерно 86 млрд нейронов и таким же количеством вспомогательных клеток внутри вашей головы. С точки зрения нейробиологов даже простая деятельность вроде чтения журнала — чудесное умение и в то же время одна из самых сложных проблем современной науки. Действительно, пока мы не можем полностью объяснить, как думает наш мозг и почему мозг обезьяны не может делать то же самое, что и наш.

Уже более 100 лет нейробиологи активно изучают человеческий мозг, но и до сих пор мы иногда чувствуем себя как путешественники, высадившиеся на берегу недавно открытого континента. В первую очередь на будущей карте обозначают общие границы и контуры. В начале 1900-х гг. немецкий ученый Корбиниан Бродман сделал срезы человеческого мозга и поместил их под микроскоп, чтобы изучить кору головного мозга— внешний слой серого вещества, обеспечивающий восприятие, мышление и память. Он поделил кору на несколько десятков областей на основе их положения и того, как клетки в каждой области окрашиваются разными красителями.

Постепенно прижилась точка зрения, что каждая область, каждая группа клеток определенного типа отвечает за определенный набор функций. Некоторые нейробиологи сомневались, что функции распределены по определенным областям. Но модель распределения функций вновь обрела популярность с появлением новых методов, прежде всего функциональной магнитно-резонансной томографии (МРТ), фиксирующей, какая область мозга активируется (интенсивно поглощает кислород), когда люди читают, мечтают или даже врут. Исследователи использовали эту технологию для создания «карт», которые можно увидеть с помощью МРТ во время проявления какого-либо типа поведения.

Однако, согласно современным представлениям, мозг больше похож на неформальную социальную сеть, чем на структуру с жестким разделением труда. С такой точки зрения на поведение нейрона в большей степени влияет не его местонахождение, а то, с какими клетками он образует соединения. А поведение каждой конкретной области напрямую зависит от прошлого опыта и текущей ситуации. Если эта идея верна, то можно ожидать, что участки, выполняющие определенные обязанности, будут перекрываться. Проверить гипотезу довольно сложно, нервные цепи трудно проследить, а миллиарды клеток человеческого мозга соединяются друг с другом посредством 100 трлн связей, или синапсов. Но сейчас существуют проекты, направленные на разработку новых технологий, которые должны помочь в решении данной задачи.

В 2003 г. ученые из проекта «Геном человека» опубликовали последовательность нуклеотидов человеческой ДНК. Мы с коллегами из Алленовского института исследований головного мозга в Сиэтле увидели возможность использовать свежеполученный список из 20 тыс. генов и быстро улучшающиеся системы генетического сканирования для того, чтобы взглянуть на человеческий мозг под другим углом. Мы поняли, что. комбинируя генетические и нейробиологические методики, мы приобретем возможность продвинуться вглубь неизведанного континента: фактически мы сможем создать карту активности генов, экспрессирующихся в разных отделах мозга. Мы ожидали, что набор генов, активирующихся, например, в участке, обрабатывающем слуховую информацию, будет отличаться от такового в областях, контролирующих осязание, движение или мышление.

Наша цель, для достижения которой в конечном итоге понадобилось около десяти лет. состояла в том, чтобы создать трехмерные атласы активности генов в мозге здорового человека и мыши. (Сейчас мы работаем над тем, чтобы добавить в список мозг обезьяны.) Как расшифровка последовательности ДНК в проекте «Геном человека», так и наши молекулярные карты дают представление о том, что и где должно быть в нормальном или по меньшей мере в типичном состоянии. Мы предполагаем, что такие атласы ускорят прогресс в нейробиологии и поиске новых лекарств, поскольку позволят ученым лучше разобраться в структуре человеческого разума.

Новые исследования человеческого и мышиного мозга уже преподнесли несколько сюрпризов. Хотя каждый человек уникален, распределение активности генов в мозгах разных людей удивительно сходно. Несмотря на наши различия, у нас одинаковая «генетическая география» мозга. Более того, неожиданно не оказалось принципиальной разницы в активности генов правого и левого полушарий. Во многих нейробиологических исследованиях и на ранних стадиях тестирования лекарств в качестве модели человека используют мышей, но новые данные говорят о том. что на генетическом уровне человека нельзя рассматривать как большую мышь. Это ставит под сомнение целесообразность проведения опытов на грызунах для понимания нейробиологии нашего собственного вида.

От мыши к человеку

Никто никогда раньше не делал полную карту генетической активности мозга млекопитающего. Чтобы лучше разработать методику, мы начали с малого: с мозга мыши. У нее приблизительно столько же генов, сколько у человека, но ее мозг весит примерно в 3 тыс. раз меньше нашего.

За три года мы обработали более миллиона срезов мозга мыши, применяя множество маркеров, так что видимые метки появились в тех отделах, где экспрессируются конкретные гены, т.е. где они используются и информация переписывается с ДНК на информационную РНК. Информационная РНК представляет собой промежуточный шаг между геном и конечным продуктом — белком, который может что-то делать в клетке, например выполнять структурную или ферментативную функции. Некоторые молекулы РНК не кодируют белок, асами выполняют полезную работу; мы нашли около тысячи разновидностей таких молекул.

Кроме разработки методов мы получили от нашего проекта с мозгом мыши первый из множества сюрпризов. Каждая клетка грызуна, как и человеческая, содержит полный набор хромосом и. соответственно, хотя бы одну копию каждого гена из генома. В зрелых клетках большинство генов неактивны, т.е. с них не синтезируется РНК. Однако, когда в 2006 г. мы завершили работу над мышиным атласом, мы увидели, что в момент смерти животного в его мозге работало более 80% генов. Нейробиологи знают, что в большинстве случаев для изменения картины генетической активности требуется несколько часов, а после смерти она еще некоторое время сохраняется неизменной. Когда мы начали строить планы создания такого атласа для человеческого мозга, нас интересовало, будет ли у человека такой же высокий уровень активности генов и что еще важнее, насколько картина активности будет похожа на ту, что мы наблюдали у грызунов.

Первый образец мозга человека мы получили летом 2009 г. С согласия родственников нам был предоставлен мозг 24-летнего афроамериканца. Была проведена МРТ, чтобы создать виртуальную трехмерную модель целого органа, потом мозг заморозили, все это сделали в пределах 23 часов после смерти, т.е. достаточно быстро, чтобы зафиксировать распределение РНК в норме. Не считая астмы, человек был здоров.

Для того чтобы справиться с мозгом в 3 тыс. раз больше мышиного, мы использовали другой метод оценки экспрессии генов. Мы изготовили тонкие срезы из замороженного мозга, которые окрашивали и фотографировали с высоким разрешением. Затем с помощью лазера анатомы отрезали микроскопические образцы от 900 структур со всего мозга. Молекулярные биологи изучили каждый образец, используя микрочипы, позволяющие одновременно определить содержание РНК для каждого конкретного гена, кодирующего белок в генотипе человека.

После того как мы таким способом собрали информацию от первого образца мозга, мы внесли все результаты в компьютерную базу данных. Мы могли выбрать любой ген и посмотреть, какое количество соответствующей ему РНК обнаружилось в каждом из 900 образцов, т.е. насколько активно происходила экспрессия этого гена за несколько часов до смерти донора. Мы выбирали
один ген за другим и с волнением наблюдали, насколько разная получалась картина. Можно было начинать настоящее исследование.

Оттенки серого вещества

Вначале, когда мы проанализировали результаты, полученные при исследовании первого образца мозга, мы с удивлением обнаружили, что картина экспрессии генов в левом полушарии — почти зеркальная копия правополушарной. Широко распространено представление, что левое полушарие специализируется на таких функциях, как математика и язык, в то время как правая сторона в большей степени задействована в художественном и творческом мышлении, однако на уровне активности генов мы не обнаружили никаких доказательств существования подобных различий. Исследования второго образца мозга подтвердили эти данные. Результаты были настолько убедительными, что у следующих четырех экземпляров мы изучали только одно полушарие, что ускорило создание атласа более чем на год.

Подавляющее большинство генов человека, так же как у мышей (84% от всех генов, которые мы исследовали), были активны в какой-либо части тех шести образцов мозга, которые у нас были. Мозг выполняет необыкновенно широкий спектр задач и, как видно из атласа, в каждой большой области работают свои различные наборы генов, обеспечивая выполнение определенных
функций.

Мы изучали мозг мужчин и женщин, молодых и старых, черных, белых и латиноамериканцев. Некоторые экземпляры были крупные, другие — поменьше. Несмотря на все различия, во всех шести образцах прослеживалась четкая закономерность генетической активности. Более чем в 97% случаев, если мы видели, что в какой-то из областей присутствует большое количество РНК-копий определенного гена, то же самое наблюдалось в такой же области другого мозга.

Мы начали изучение наборов генов, работающих в различных отделах мозга. Например, мы сравнили, какие гены наиболее активны в среднем мозге — древней структуре, сходной у человека и рептилии, а какие— в коре больших полушарий. Нейробиологам давно известно, что клетки в более примитивных структурах мозга, таких как гипоталамус или мост (отвечающих за поддержание температуры тела, чувство голода и сон), объединены в ядра, работающие независимо друг от друга. Мы обнаружили, что во многих ядрах экспрессируется свой собственный набор генов. Из древних структур доносится «какофония» самых разнообразных генетических голосов.

Кора, в свою очередь, отличается от ядерных структур и по расположению клеток, и по их генетической активности. Она состоит из самых разнообразных типов клеток, уложенных в виде листа из шести слоев серого вещества. Кора развилась относительно недавно, и у людей ее площадь значительно больше, чем у других животных. Именно серое вещество коры обеспечивает уникальную сложность человеческого поведения и свойства отдельной личности. Естественно, нам было интересно: рождаются ли сложные функции в этой наиболее человеческой части мозга за счет огромных различий между активностью генов в ее разных участках? Бродман решил разделить кору на десятки четко разграниченных участков, и мы ожидали, что различие играемых ими ролей обусловлено активацией генов.

Однако предположение не подтвердилось: в коре клетки одного типа имеют схожую активность генов на всем протяжении серого вещества, ото лба до затылка.

Мы обнаружили, что для каждого типа клеток характерны свои генетические показатели. Однако разные области различались совсем незначительно— за исключением зрительной коры в затылочной части, которая обрабатывает информацию, поступающую от глаз. Мозжечок, расположенный в основании мозга и также заметно увеличившийся в процессе эволюции человека, тоже оказался однороден.

Полученные результаты плохо соответствуют господствующей идее, что кора делится на участки, отвечающие каждый за свою функцию, и что особенности их работы определяются тем. какие именно гены в них экспрессируются. Наш атлас свидетельствует в пользу другой теории: гены определяют каждый из типов клеток, а также общий принцип строения колонки — структурной единицы коры, внутри которой клетки разных типов распределяются определенным образом от поверхности вглубь. Вся кора целиком состоит из таких колонок. То, как эта структура ведет себя в целом, зависит не от особенностей генетической активности разных участков, а от того, каким образом нейроны будут объединяться в цепочки и какую стимуляцию они будут получать.

Больше похожи на обезьян

Когда мы сравнили около 1 тыс. генов, активных в коре человека и мыши, мы с удивлением обнаружили, что примерно треть из них экспрессируются совсем не одинаково. Например, некоторые гены молчат у одного вида и работают у другого, а некоторые сильно отличаются по интенсивности экспрессии.

Выяснить степень сходства между мышью и человеком крайне важно, т.к. почти все нейробиологические эксперименты и испытания лекарств проводятся сначала на мышах. Грызуны быстро растут, их легко контролировать и изучать. Однако методы лечения, успешно работающие на мышах, редко сразу становятся эффективным способом лечения людей. Различия в экспрессии генов помогают объяснить данную проблему.

С другой стороны, всего 5% генов активируются у людей не так, как у макак-резусов. Наша группа все еще работает над созданием атласа мозга обезьян, так что это число может измениться, когда мы соберем больше данных. Тем не менее то, что генетическая активность в нашем мозге и мозге обезьяны столь схожа, означает, что наша уникальность в большей степени обусловлена не разной активностью генов в клетках, а особенностями связей между нейронами. Более того, очевидно, что ученым и фармацевтическим компаниям нужно получить более подробную информацию об особенностях человеческого мозга, чтобы понимать, какие лекарства можно тестировать на мышах, а какие на более близких родственниках человека.

С тех пор как в 2007 г. мы выпустили генетический атлас мозга мыши, его использовали уже более чем в тысяче научных исследований. Доступ к атласу человеческого мозга, созданному на основе первых двух экземпляров мозга, был открыт в 2010 г.. далее необходимо увеличить разрешение и масштаб карты. Выяснилось, что пока мы не увидим экспрессию генов в отдельных клетках, мы не поймем, как активность генов связана с работой мозга. Это грандиозная задача, если учитывать, какой огромный и сложный орган представляет собой человеческий мозг. Но появляются новые технологии, помогающие нейрогенетикам измерять содержание кодирующей белок РНК в отдельных клетках. Кроме того, такие средства позволяют обнаружить кусочки РНК. которые не кодируют белок, так называемую темную материю генома, играющую важную роль в работе мозга.

Для того чтобы облегчить работу ученым, исследующим заболевания мозга, такие как аутизм, болезнь альцгеймера и болезнь Паркинсоиа, Алленовский институт разместил все наши данные в сочетании с программой Brain Explorer в свободном доступе в Интернете. Мы надеемся, что эти первые попытки понять работу человеческого мозга через создание карты активности генов подготовят почву для возникновения новых неожиданных направлений исследования.