Вы здесь

Под диктовку света

суббота, 17. января 2015 - 18:16

В декабре 2014 года на встрече американского Эпилептического общества в Сиэтле была среди прочего доложена работа Эстер Крук-Магнусон и ее коллег из Калифорнии, в которой проверялся новый способ лечения эпилепсии. Способ этот проверялся на мышах, у которых были искусственно (с помощью перегрева, электрической стимуляции или травмирования мозга) вызваны признаки височной эпилепсии, а состоял он в том, что исследователи, используя лазерный свет, активировали у мышей нейроны мозжечка (это затылочный участок мозга, отвечающий за координацию движений, регуляцию равновесия и мышечного тонуса). Оказалось, что воздействие света на нейроны в черве мозжечка (это отросток, соединяющий правую и левую долю мозжечка) дает в высшей степени обнадеживающие результаты: оно не только сокращает, и притом весьма существенно, длительность припадков, но столь же резко увеличивает время между ними, то есть уменьшает частоту их повторения.

Непосвященного человека это сообщение наверняка поставит в тупик. Каким образом можно, используя лазерный свет, активировать нейроны? И почему нейроны поддаются такой активации?

Ответ на эти вопросы состоит в непривычном для многих термине «оптогенетика». Этим словом с недавних пор стали называть метод светового воздействия на работу нейронов, причем не в пробирке, а прямо в мозгу. Начало оптогенетике было положено в 1970-е годы, когда ученые обнаружили у некоторых бактерий (а затем и у водорослей типа хламидомонад) специфические гены (опсины), белки которых (гены управляют выработкой тех или иных белков) сочетали в себе две особенности: во-первых, они реагировали на свет, а во-вторых, выполняли функции ионных каналов в оболочке клетки.

Этой возможностью первыми заинтересовались ученые, искавшие пути лечения таких психических заболеваний, как депрессия, эпилепсия. Они подозревали, что эти болезни вызываются аномальным воздействием одних нейронов на другие, и надеялись, что, меняя с помощью света активность работы нейронов, можно будет устранить аномалию. Но нейроны животных не имеют опсинов, а значит, не производят соответствующих белков. Поэтому становление оптогенетики стало возможным лишь в 2000-е годы, когда была разработана техника введения в клетки того или иного опсинного гена, взятого у бактерий или водорослей. Такое введение гена обычно осуществляется с помощью ослабленных ретровирусов (такие вирусы имеют особенность, войдя в клетку, встраивать свои гены в ДНК этой клетки, и эта ДНК начинает производить также и вирусные белки). В 2005 году группа Дейсератта из Стэнфорда впервые попыталась (сначала в пробирке) ввести ген каналородопсина в нейроны мыши, добавив к нему также «промоутер» этого гена (участок ДНК, необходимый для запуска гена в работу), который должен был обеспечить, что запуск произойдет лишь в нейронах определенного типа. В результате ген опсина успешно встроился в ДНК нейрона, его белок (каналородопсин-2) столь же успешно встроился в нейронную оболочку, и исследователи впервые за всю историю изучения мозга получили возможность, подавая в пробирку импульсы света, в течение считанных миллисекунд по своему желанию включать и выключать производство глютамата.

С тех пор прошло 10 лет. Техника оптогенетики стала намного более совершенной. Расширились репертуар и возможности опсинов: появились опсины быстрого (до 200 включений в секунду) и медленного действия, а также импульсные опсины, одной вспышкой переводящие нейрон в возбужденное состояние и поддерживающие его в нем; были найдены пути влияния (с помощью света) на многие важнейшие химические процессы внутри нейронов и взаимодействие нейронов друг с другом и т. д. Были разработаны методы доставки светового сигнала к любым нейронам живой мыши с помощью тончайших световолокон, вводимых в нужные участки мозга, а затем были созданы так называемые оптроды, в которых такое световолокно, кончающееся тончайшим электродом, дает возможность получать электрические данные о работе освещаемого нейрона. Так что сегодня уже возможно управлять с помощью света работой нейронов живой мыши, выполняющей ту или иную поведенческую программу, и это открывает широкие возможности для изучения нейронных механизмов поведения животных (а в перспективе также и людей). Особенное значение имеет при этом скорость нового метода, сопоставимая со скоростью нейронных процессов (ни один прежний метод этого не позволял). С помощью нового метода в опытах на мышах уже найдены возможные пути воздействия на паркисонизм и память и обсуждается возможность лечения болезни Альцгеймера. И вот сейчас Крук-Магнусон нащупала путь к лечению эпилепсии.

Перспективы оптогенетики так широки, что в 2014 году ее применением занимались уже свыше 700 научных лабораторий мира. Соответственно рос и поток результатов. И теперь, надеюсь, вас уже не удивят такие заголовки статей минувшего года, как «Светостимулирование мозга меняет отношение крыс к алкоголю»; «Оптогенетическое изучение центров удовольствия в мозгу»; «Первое применение оптогенетики к изучению раковых клеток»; «Модулирование мозга светом заставляет дрозофил петь и танцевать»; «Использование оптогенетики при лечении мерцательной аритмии» и, наконец, «Оптогенетика: найдены нейроны в амигдале, которые могут быть связаны с аутизмом».

Впрочем, о некоторых из этих работ я надеюсь еще рассказать подробней.

********************************************************************

Откуда есть пошла вода на Земле?

Есть такой астероид Веста – второй по массе (после Цереры) и третий по размерам (после Цереры и Паллады) в поясе астероидов между Юпитером и Марсом. В 2011-2012 годах вокруг нее обращался космический зонд «Рассвет» (Dawn), который обнаружил в южном полушарии Весты две огромные вмятины, оставленные ударами других астероидов; некоторые данные показывают, что эти удары Веста испытала еще во времена формирования Солнечной системы (4-4,5 млрд лет назад). Оба удара выбили из Весты большое количество вещества, и некоторые обломки попали на такие орбиты, которые несколько позже привели их к столкновению с Землей. Эти обломки в последние десятилетия находят на разных континентах. Их общее происхождение опознают по сходному химическому составу (все они содержат уникальное сочетание трех минералов – говардита, эукрита и диогенита). Это же сочетание характерно, судя по данным «Рассвета», для самой Весты.

В 2011 году американский метеоролог Сарафьян и его коллеги произвели самое тщательное изучение этих трех минералов в метеоритах семейства Весты и среди прочего обнаружили в них следы воды астероидного происхождения. Вообще-то раньше считалось, что в астероидах воды давно нет, но вывод Сарафьяна и коллег вскоре был подкреплен странным выбросом мощной струи водяных паров с поверхности Цереры, что заставило ученых предположить, что под поверхностью этой карликовой планетки существует целый океан жидкой воды. Так это или нет, должен уточнить «Рассвет», который, покинув Весту, приближается сейчас к Церере и должен выйти на орбиту вокруг нее в начале 2015 года.

Вы спросите, почему ученым так важно узнать, есть на астероидах вода или нет. Объясняю: ответ на этот вопрос может пролить свет на происхождение воды на Земле и на землеподобных планетах вблизи других звезд. А это позволит точнее понять, может ли там существовать жизнь. Ведь наличие воды является одним из первейших условий появления жизни на любой планете. Неудивительно поэтому, что вопрос о происхождении земной воды давно интересует ученых. По их единодушному мнению, на огненно-раскаленной первичной Земле воды не было, она появилась позже. Когда и откуда - вот о чем спор.

Одни, опираясь на данные анализа древнейших циркониевых скал в Австралии, считают, что вода на Земле появилась уже 4,4 млрд лет назад. Другие относят ее появление к временам так называемой поздней бомбардировки (4,1-3,8 млрд лет назад), когда внутренние планеты подверглись длительной и мощной бомбежке разными обломками, вытолкнутыми в сторону Солнца Юпитером. По мнению первых, вода на Земле появилась из земных недр: выделилась при остывании Земли из тех протопланетных кусков, из которых сложилась наша планета. По мнению вторых, вода была занесена телами, падавшими на Землю во время поздней бомбардировки, то есть кометами или астероидами. А поскольку, как уже сказано, долгое время считалось, что астероиды воды в себе не несут, то оставались кометы, точнее – скальные ядра комет.

Источников комет в Солнечной системе два: долгопериодические кометы типа кометы Галлея приходят из пояса Оорта – сферического облака каменно-ледяных обломков, охватывающего нашу систему на расстоянии 100 тысяч а. е. (а. е. - расстояние от Земли до Солнца), а короткопериодические, типа кометы 67Р (Чурюмова - Герасименко), которую недавно исследовал зонд «Розетта», приходят из пояса Койпера – ближнего кольцевого облака таких же обломков за орбитой Нептуна. Первыми на предмет наличия воды были исследованы пришельцы из облака Оорта. В 1986 году зонд «Джотто» произвел дистанционный химический анализ состава тончайшей атмосферы вокруг ядра кометы Галлея. Анализ показал, что вода там есть, и это смесь обычной воды с небольшой примесью тяжелой, в которой обычный водород заменен на дейтерий. Но увы - отношение дейтерия к водороду в кометной воде оказалось вдвое больше, чем в земной.

Казалось, что вопрос о происхождении земной воды решен в пользу астероидов, но тут маятник качнулся в обратную сторону: в 2011 году дистанционное изучение двух короткопериодических комет из пояса Койпера - кометы Хартли и кометы 45Р – показало, что отношение дейтерия к водороду в их воде почти идентично земному, и происхождение земной воды опять было приписано кометам. Но ненадолго, ибо в 2014 году маятник качнулся снова. Как известно, «Розетта» совершила нечто казавшееся невозможным - вышла на орбиту вокруг кометы 67Р и даже спустила на нее посадочный модуль с приборами. Правда, солнечные батареи модуля оказались в тени и потому вскоре вышли из строя, но все же успели передать на Землю массу бесценной научной информации, в том числе и о составе кометной воды. И вот недавно руководительница этого исследования Аттвег сообщила, что отношение дейтерия к водороду в воде новой короткопериодической пришелицы из облака Койпера втрое (!) больше земного.

Впрочем, на сей раз специалисты уже не торопятся с однозначными выводами. По их мнению, возможны варианты. Например, в поясе Койпера могут быть кометы с самым разным отношением дейтерия к водороду. Или же воду на Землю занесли и кометы из пояса Койпера, и астероиды из пояса между Юпитером и Марсом, а на Земле все эти воды смешались и дали нынешнее среднеземное соотношение дейтерия к обычному водороду. А может, вдобавок ко всему этому заметная часть земной воды - действительно земного, более древнего происхождения. В любом случае замелькавшие в газетах заголовки что «Розетта» опровергла кометное происхождение земной воды, и неточны, и, главное, преждевременны.

Рафаил Нудельман
"Окна", 15.01.15