Мегамозг

Григорий Ениколопов о мегагрантах, мозге, российской науке и оптимизме

Российско-американский нейробиолог, профессор знаменитой лаборатории Колд-Спринг Харбор (руководителем которой долгое время был Джеймс Уотсон) Григорий Ениколопов рассказал "Ленте.ру" о том, как ему работается в России по программе мегагрантов, что такое стволовые клетки мозга, какое значение они имеют для астронавтов, чем полезны антидепрессанты и почему бег укрепляет не только мышцы.

"Лента.ру": Вы вернулись в Россию после того, как выиграли конкурс мегагрантов. Вам уже удалось сформировать лабораторию ( в Московском физико-техническом институте - прим. "Ленты.ру" ), закупить оборудование, собрать команду?

Григорий Ениколопов

Григорий Ениколопов: Да, мы работаем уже семь месяцев. Лаборатория сформирована, все идет довольно бурно, люди ездят туда-сюда, мы наладили обмен между американской и российской лабораторией. Биология - это экспериментальная наука, очень много времени уходит на то, чтобы разогнаться, но у нас в этом смысле все пока хорошо идет.

А ФЗ-94 вам при закупках оборудования не мешает? Многие ученые жалуются на то, что он сильно осложняет им жизнь.

У "мегагрантников" с этим стало легче, скажем так. Все равно, все движется очень медленно из-за огромного количества всяких административных и бюрократических проволочек.

А темы работы в ваших российской и американской лабораториях совпадают?

Они близки. Не совпадают, но близки - мы изучаем стволовые клетки мозга. Просто в Колд-Спринг Харбор мы занимаемся еще и другими вещами - например, мы изучаем стволовые клетки и в других тканях - не только в мозге. Мы также занимаемся влиянием окиси азота (NO) на другие стволовые клетки, а также связанными с NO заболеваниями.

Что касается именно стволовых клеток мозга, то у двух лабораторий слегка разные задачи. Но я стараюсь, чтобы технически работа была на одном уровне, чтобы было легче наладить обмен методиками, обмен опытом и так далее. Так оно, собственно, и планировалось, когда я подавал заявку на мегагрант.

Вы занимаетесь стволовыми клетками мозга, которые могут превращаться в нейроны у взрослых особей. Однако существует расхожее мнение о том, что "нервные клетки не восстанавливаются", что все они образуются раз и навсегда в процессе эмбрионального развития. Оказывается, это не совсем так?

Действительно, подавляющее большинство клеток в мозге формируются во время эмбрионального развития. Но, оказалось, существует значительное число клеток, которые продолжают продуцироваться и во взрослом возрасте. Они образуются из стволовых клеток мозга, некоторые из которых превращаются в нейроны, а другие - во вспомогательные клетки (клетки глии).

Путь нейроблатов из места образования в боковых желудочках (LV) к обонятелььным луковицам (OB) у грызунов. Изображение Jessica B Lennington, Zhengang Yang and Joanne C Conover

Во взрослом мозге найти стволовые клетки можно во многих областях, но продукция новых нейронов на достаточно высоком уровне происходит только в двух. Одна область расположена вокруг желудочков мозга. Те стволовые клетки, которые начинают здесь делиться, пускаются в очень длинное путешествие, практически через полмозга, и оканчивают свою жизнь в обонятельной луковице (это важнейшая часть мозга, которая ответственна за обоняние).

Процесс миграции делящихся стволовых клеток из желудочков в обонятельную луковицу очень бурно проходит у грызунов - у мышек, крыс и так далее, но он весьма ограничен у людей.

Вторая область мозга, в которой происходит постоянный нейрогенез (хотя он и очень сильно падает с возрастом), называется гиппокамп, а если еще точнее, подструктура гиппокампа зубчатая фасция. В случае гиппокампа совершенно другая история. Новые клетки остаются очень близко, в пределах буквально двух-трех клеточных диаметров от клетки-матери. Так что уже одно это говорит о том, что в основе двух процессов лежат довольно разные механизмы.

К гиппокампу приковано внимание большого количества лабораторий, включая и мою. Это важнейшая часть мозга, которая отвечает за формирование памяти и, как мы сейчас все больше понимаем, за контроль и регуляцию эмоциональной сферы.

Первые данные об этом были получены много лет назад в ходе наблюдений за пациентами с поврежденным гиппокампом. Было показано, что если он повреждается, скажем, при инсультах, травмах, при нейродегенеративных заболеваниях вроде болезни Альцгеймера, то в первую очередь страдает формирование новой памяти. Такой пациент сохраняет свои старые воспоминания, но никак не может сформировать новую память о чем-либо.

Поэтому, когда оказалось, что в гиппокампе производятся новые нейроны, то сразу же возникла мысль: может быть, эти новые нейроны каким-то образом связаны с известными функциями гиппокампа - памятью и эмоциями?

Когда произошел такой слом парадигмы? Ведь мнение о невозможности взрослого нейрогенеза продержалось очень долго - его заложил еще Рамон-и-Кахаль.

Действительно, Сантьяго Рамон-и-Кахаль в начале двадцатого века впервые сформулировал постулат о том, что все нейроны появляются во время раннего развития, а во взрослом мозге новых клеток не образуется.

Рамон-и-Кахаль - отец современной нейробиологии, и у него были просто гениальные провидения, гениальные выводы, мы многим ему обязаны. Но в то время не было подходов, которые позволили бы ему увидеть области мозга, где появляются новые клетки. Так как этих клеток, во-первых, очень мало по сравнению со всей массой мозга, а во-вторых, тогда не существовало методов, которые могли бы их выявить, то он их и не увидел. И хотя его постулат до сих пор на 99 процентов верен, важно, что у взрослых есть такие области мозга, где новые нейроны все-таки образуются.

В 1962 году, то есть через 50 лет после работ Кахаля, Джозеф Альтман из MIT написал статью в Science, в которой описал результаты своей работы на грызунах с использованием радиоактивного маркера. В то время это был модный, необычный метод. Он взял радиоактивный тимидин и инъецировал его крысам. Тимидин - нуклеотид, поэтому он встраивается в синтезирующуюся ДНК. На срезах мозга таких крыс можно увидеть клетки с повышенной радиоактивностью, - те, где ДНК синтезировалась после инъекции маркера. Наличие таких клеток означает, что они появились в ходе деления - ведь новой ДНК в покое не образуется. Как мы теперь знаем, это и были те самые области на стенках желудочков мозга и в гиппокампе, где делятся стволовые клетки.

Очень долго эту идею люди не воспринимали, причем не только из-за психологического барьера. Было трудно доказать, что те радиоактивные клетки, которые видел Альтман, действительно были нейронами. Первое доказательство этого пришло только в 1983 году, причем с необычной стороны.

Есть такой замечательный ученый Фернандо Ноттебом в Рокфеллеровском университете, который занимается певчими птицами: канарейками и вьюрками. К этому времени стало понятно, что когда певчие птички учатся новым песням, то при этом должно происходить массовое деление клеток в особых областях мозга, которые ответственны за обучение. Этих клеток было много и экспериментальная модель оказалась удачной, поэтому Ноттебом действительно доказал, что те клетки, которые образуются в процессе обучения, являются нейронами. Это было трудно, но ему это удалось.

Но птицы - это особая история, а нас интересуют, естественно, человек и млекопитающие. Почти десять лет понадобилось, чтобы доказать что и в мозгу млекопитающих, и в мозгу человека большая часть тех клеток, что делятся, становятся нейронами. Это были эксперименты с терминально больными раком в Каролинском институте, в Швеции. Им также давали меченый нуклеотид и с их согласия после кончины анализировали мозг. Таким образом, удалось показать, что и в мозгу взрослых людей происходит деление клеток, большая часть из которых превращается в нейроны.

В то же самое время, в середине 90-х годов, появились сведения о том, что скорость этого деления можно увеличить, что она зависит от внешней среды. Например, скорость нейрогенеза была повышена у грызунов, которых содержали в больших вольерах, где было много интересных объектов. То же самое наблюдалось у животных, которым приходилось заниматься физической активностью, или тех, кому давали антидепрессанты.

Таким образом, результаты, полученные на грызунах, говорили о том, что нейрогенез действительно идет достаточно мощно у взрослых животных, в связи с чем возлагались большие надежды на то, что, может быть, и у человека происходит то же самое. И вот в 2005 году вышла статья, в которой использовался новый остроумный метод для определения возраста нейронов на основе датировки с помощью углерода-14. Я правильно понимаю, что тогда этим надеждам не суждено было сбыться?

Нет, не совсем. Дело в том, что, как я уже говорил, существуют две области нейрогенеза у млекопитающих и, оказывается, они ведут себя по-разному. Усиление нейрогенеза у грызунов в обогащенной среде, или при беге, или вследствие приема антидепрессантов - все это касается новых нейронов в гиппокампе. Последняя работа Спелдинг и Фрисена в Neuron , о которой вы говорите, ( "Лента.ру" писала об этих работах здесь и здесь ), касалась именно обонятельных луковиц.

Эти элегантные и остроумно проведенные работы позволяют вполне определенно утверждать, что почти все нейроны, которые существуют в обонятельных луковицах у человека, в отличие от грызунов, появляются во время эмбрионального развития или во младенческом возрасте. Во взрослом возрасте новых нейронов там фактически не образуется. Но, подчеркиваю, это не имеет отношения к нейрогенезу в гиппокампе. Это очень важное различие, и большая часть того, о чем пишут в научных или популярных статьях, когда речь идет о нейрогенезе, относится к гиппокампальному нейрогенезу. Поэтому нельзя говорить, что эти работы разбили надежды нейробиологов, напротив.

А работа, о которой вы говорите, отвечает на другие и тоже очень интересные вопросы - например, как формируется память, связанная с обонянием.

Для животных показано, что новые нейроны нужны для формирования новых "памятей" на разные запахи. Для человека почти ничего не известно относительно связи между появлением новых нейронов и памятью на новый запах, а эта статья говорит, что во взрослом возрасте нейрогенеза там практически не происходит.

Но даже если и не удалось обнаружить нейрогенез в обонятельной луковице человека, нужно помнить, что у современного человека совсем другая ситуация с запахами и обонянием. Наша цивилизация развивается так, что мы живем в очень небогатой запахами среде. Наша культура элиминирует большое количество запахов, мы живем в очень стерильной атмосфере.

Рецензенты, которые комментировали эту статью для ScienceNow, как раз говорили про то, что было бы интересно посмотреть на те же данные, полученные не на обычных людях, а на людях…

Да-да-да, на путешественниках, на поварах, на парфюмерах, и так далее. Ведь вся наша цивилизация старается запахи искоренить, за исключением нескольких профессий - сомелье, шефы в ресторанах или люди, которые постоянно ездят в экзотические места, с разной культурой и разными запахами.

То есть если по поводу обонятельных луковиц у человека данные скорее говорят о том, что нейрогенеза там не происходит, то по поводу нейрогенеза в гиппокампе ситуация практически противоположная?

Да, все больше лабораторий работают над тем, чтобы найти доказательства этой большой идеи - идеи о том, что образование новых нейронов в гиппокампе связано с когнитивными функциями, что оно для этих функций необходимо. Может быть, все не так просто, как люди думали вначале, но подтверждений этой общей идее все больше и больше.

Есть много данных, которые говорят о том, что некоторые свойства формирования памяти - не просто хуже-лучше, а какие-то особенные ее свойства - очень сильно зависят от новых нейронов. Например, способность различать похожие, но, тем не менее, разные контексты. Условно говоря, как в "Иронии судьбы, или С легким паром!": герой приходит в питерскую квартиру, и в какой-то момент он начинает понимать, что, хотя все вокруг абсолютно то же самое, квартира все-таки чужая.

То есть одно дело - сформировать память, а другое дело - понять, что хотя что-то похоже на что-то другое, это не то же самое. Скажем, вы приходите в комнату - вроде все точно так же, но в прошлый раз здесь была желтая краска, а теперь стала скажем, голубая. Вот для различения таких похожих, но все-таки отличных, ситуаций, и нужны,видимо, новые нейроны.

То есть такая особая память связана именно с работой гиппокампа, причем именно новых нейронов гиппокампа?

Именно так. То, что некоторые грани, свойства формирования памяти связаны с гиппокампом - это один факт. А другой факт, что для этого процесса нужны новые нейроны, и если задавить процесс формирования новых нейронов, то пропадет тонкая чувствительность к контексту.

Скажем, если говорить про мышь, то она запомнит, что в некой клетке, предположим, при звонке ее слегка било током, и начнет замирать при звонке. Но если ее потом пересадить в другую клетку, где тоже есть звонок, но не бьет током, и при этом стенки клетки другого цвета, то она быстро поймет, что это уже другая ситуация и перестанет замирать. А вот если подавить образование новых нейронов, то мышь научится связывать звонок с неприятными ощущениями так же легко, как и прежде, но если ее пересадить в измененную клетку, она не осознает, что это уже другая, безобидная клетка, и будет по-прежнему замирать при звонке.

То есть она по-прежнему воспринимает его как старое место?

Да. Ей трудно дифференцировать между двумя близкими, но все-таки различными контекстами.

"Лента.ру" как раз относительно недавно сообщала про оптогенетические эксперименты, в ходе которых светом вызывают активацию нейронов. Там было показано, что у мыши, которая находилась в благоприятной обстановке, можно, активировав всего один нейрон, вызвать воспоминания о другой обстановке, в которой ее били током. Такие нейроны памяти как раз находились в гиппокампе, насколько я помню.

Гиппокамп трансгенных мышей. Тела нейронов окрашены флюоресцентными красителями. Изображение с сайта nikonsmallworld.com

Да, это очень интересные работы, которые еще раз показывают роль гиппокампа в формировании памяти. Правда, то, что гиппокамп необходим для памяти, не означает, что память обязательно там хранится. Это просто означает, что он необходим для нее и, возможно, в постоянных переговорах между корой и гиппокампом, в этом процессе формируется и сохраняется память.

Но в коре нейрогенеза не происходит?

Практически нет. Время от времени кто-то появляется и говорит: "Нет, мы нашли!", - и всем хотелось бы, чтобы там были новые нейроны, но обычно обнаруживаются технические осложнения или недоработки, которые не позволяют поверить в надежность таких результатов.

Но если нейрогенез важен для формирования памяти и когнитивных способностей, можно ли его стимулировать у человека? Можно ли улучшить свою память, сообразительность, если по утрам бегать, а по вечерам пить прозак?

Да, мы как раз близкими проблемами и занимаемся.

Дело в том, что количество появляющихся новых нейронов очень сильно падает с возрастом, и связано это с падением количества стволовых клеток. Это не очевидное утверждение, потому что в других тканях, - например, в костном мозге - число стволовых клеток к концу жизни не падает (правда, ухудшается их "качество").

А вот в мозгу, по нашим последним данным, с возрастом очень сильно падает число стволовых клеток, причем оно падает еще больше, чем число новых нейронов. Это приводит к несколько парадоксальному, не очень интуитивному выводу, что с возрастом стволовые клетки становятся эффективнее, чем в молодом мозге. Их меньше, намного меньше, поэтому они не могут компенсировать всю потерю. Но если рассматривать эффективность, то есть сколько нейронов появилось на одну стволовую клетку, то она с возрастом растет. Это довольно неожиданный факт, который нам удалось обнаружить.

С другой стороны, действительно, существует большое количество разных воздействий, таких как различные лекарства, физическая активность, электрическая стимуляция мозга, которые усиливают нейрогенез. Это одно из важнейших направлений, которыми мы занимаемся. Мы хотим понять, на каком этапе происходит увеличение числа новых нейронов: как работает бег, на что действует "Прозак", как влияет на нейрогенез терапевтическая стимуляция мозга электродами и можно ли это изменить.

То есть бег все-таки действует?

Да, безусловно. Но не совсем так, как мы ожидали. Наши данные показывают, что физические упражнения, антидепрессанты (например, прозак), стимуляция мозга электродами, которая сейчас применяется для терапии депрессии, - все это приводит к активации клеток-"дочерей" стволовых клеток, но не самих стволовых клеток. Это важно, потому что при каждом акте деления стволовых клеток они пропадают, превращаются в астроциты.Так вот, мы показали, что увеличение количества образующихся нейронов происходит за счет того, что те дочки, которые образуются в ходе деления стволовой клетки, сами делятся в среднем 2,3 раза, а после стимуляции, скажем, 2,8 раза. То есть нейронов становится больше, но количество самих стволовых клеток не изменяется.

Это говорит о том, что сценарий чуть менее оптимистичный, чем хотелось бы, да?

Но и не ужасный. Число стволовых клеток с возрастом падает, но, во-первых, они становятся более эффективными, а во-вторых, они все равно отзываются на стимуляцию. При этом старый мозг в данном случае реагирует даже "благодарнее" молодого. Его можно стимулировать теми же самыми средствами: физические упражнения, прозак, обогащенная среда.

Если эти методы не действуют на сами стволовые клетки, но только на их "дочек", то, может быть, более эффективным для стимуляции нейрогенеза было бы какое-то внешнее радикальное вмешательство? Вроде того, чтобы инъецировать индуцированные стволовые клетки в мозг напрямую?

Теоретически это возможно, но, я думаю, очень маловероятно, чтобы такой подход сработал. Дело в том, что инъецированным клеткам нужно будет правильно интегрироваться в окружение, научиться "жить по правилам" и так далее.

Скорее, я возлагаю много надежд на то, чтобы найти какие-то лекарства, какие-то факторы, которые заставили бы уже существующие в мозгу клетки лучше размножаться. Не раковым, естественно, способом, а, скажем, пройти два-три дополнительных деления. Это уже в четыре-восемь раз больше новых нейронов.

Мы сейчас очень интенсивно над этим работаем, и, кстати говоря, частично эта часть исследований будет проходить в московской лаборатории. Эксперименты пока только начинаются, поэтому нет смысла сейчас об этом говорить.

А чему еще будет посвящена работа московской лаборатории?

Одна из главных тем, которыми мы будем заниматься, - это влияние на стволовые клетки мозга очень низких доз радиации.

Мы живем в цивилизации, в которой мы все проходим одни и те же медицинские процедуры, тесты, сканы, томографы и так далее. Мы все больше летаем на самолетах, и тем самым тоже получаем небольшую дозу радиации. Речь идет о таких дозах, которые достаточно безвредны для человека - они гораздо ниже установленных нормативными документами. Но, тем не менее, долгое влияние таких очень низких доз на рождение новых нейронов и, через это, на когнитивные способности, пока не изучено.

Я этим заинтересовался, когда мы писали грант в NASA. Там этим очень интересуются, потому что, как вы понимаете, если астронавты полетят далеко, к Марсу, то будут подвержены другому типу радиоактивного фона, чем мы испытываем здесь, на Земле.

При таких дальних полетах возможность возникновения раковых заболеваний из-за повышенного уровня радиации, естественно, с самого начала осознавалась, это понятно. Однако, в связи с новыми данными о возможной связи между нейрогенезом и памятью, NASA также заинтересовалась влиянием космического фона на когнитивные способности астронавтов.

И вопрос этот касается не только двух-трех астронавтов, это в какой-то мере касается нас всех, ведь мы, повторюсь, все больше и больше сталкиваемся с радиоактивностью. Понятно, что на Земле всегда существовал радиоактивный фон, и все организмы как-то приспособились к этому. Кстати, этот фон - не обязательно плохо, он может и стимулировать какие-то необходимые процессы. У меня нет пока готовых гипотез - хороши или вредны очень низкие уровни радиации, я просто хочу подчеркнуть: здесь нет готового ответа. Тот грант, который мы получили совместно с Физтехом, посвящен именно этому.

Как и у всех, ваш грант рассчитан на два года?

На немногим больше двух лет, но сейчас обсуждается возможность продлить эту программу.

Стволовые клетки (зеленые) в гиппокампе мыши (ядра обычных нейронов красные). Это фото, полученное в лаборатории Григория Ениколопова, выиграло конкурс Bio-Art - 2012. Grigori Enikolopov/Ann-Shyn Chiang (Нажмите, чтобы увеличить)

За эти два года мы сделаем ту работу, которую намечали, но будет просто грех все это заканчивать, потому что мы только-только разгонимся и сформируем активно работающий коллектив. Это верно не только для нас, но и для любой мегагрантовской лаборатории. Очень нерачительно было бы это заканчивать, потому что сейчас туда вводятся очень большие средства. Конечно, "железо" останется - я куплю микроскопы и другие приборы, они останутся стоять. Но ноу-хау и научно-интеллектуальный потенциал очень обидно будет через два года потерять. Но министерство это вполне осознает и относится с пониманием.

Как вы вообще относитесь к идее создания программы мегагрантов? Довольно много в ее адрес раздается критики по поводу того, что два года - это очень маленький срок для того, чтобы вообще построить функционирующую лабораторию.

Если бы я негативно относился, я не стал бы писать заявку. Мы обязаны за эти два года все сделать, что заявили, но, конечно же, правильно было бы эту программу продлить, чтобы группа могла полностью встать на ноги и работать в полную силу.

Есть ли позитивные ожидания от Минобрнауки в связи с назначением нового министра?

Это произошло недавно, поэтому пока сложно сказать. В принципе, большинство "мегагрантников" говорят о доброжелательном и внимательном отношении тех людей из министерства, которые ведут эту программу.

Трудности, с которыми ученые сталкиваются, возникают, скорее, из-за общей инфраструктуры. Мое общение по поводу грантов происходит, главным образом, на уровне института, не на уровне министерства. Там совершенно замечательные люди, которые мне очень помогают и без которых дело не продвинулось бы. Но общая бюрократическая инфраструктура все делает трудным: быстрые закупки реактивов, возможность прямо покупать необходимые реактивы и приборы и так далее. В общем, это все очень затруднено правилами, но, повторяю, те люди, с которыми я общаюсь , как раз очень стараются помочь. Это скорее общая инфраструктура очень закоснелая, жесткая и трудная.

Вы чувствуете в рамках МФТИ большую свободу, чем могли бы получить, например, в РАН?

Не думаю; но судить трудно - обладатели мегагрантов находятся в привилегированных условиях, прежде всего с точки зрения той огромной суммы, которую мы получили.

Мегагранты мегагрантами, но главное - чтобы "обычные" хорошие лаборатории поддерживались намного большими средствами и в намного большем числе. Потому что есть большое количество замечательных групп, которые часто сидят на сухом пайке.

В истории с мегагрантами многие находят такой подтекст, который можно интерпретировать как "мы пригласим поднимать науку варягов, потому что у нас здесь уже ничего не осталось". У вас есть ощущение, что в России в плане науки еще что-то осталось?

Конечно, в России есть очень сильные группы. Но понимаете, я же и есть тот самый варяг, поэтому не мне говорить, о том, так это или нет. Мне кажется, хорошо, что пригласили людей из-за границы, это даст толчок для развития науки, независимо от того, идет ли речь о людях, выросших в Союзе, как я, или о людях, никакого отношения к России не имеющих.

Но, конечно, еще важнее, чтобы вся наука поддерживалась на правильном уровне, чтобы те талантливые люди, группы, которые уже работают или у которых угадывается большой потенциал, тоже поддерживались на достойном уровне. Мегагрант - это всего лишь один из механизмов подталкивания науки.

Получается, что вы достаточно оптимистично смотрите на ситуацию в российской науке по сравнению со многими из тех, кто смотрит сейчас на нее изнутри.

Я бы тоже, наверно, смотрел пессимистически, если бы смотрел изнутри - денег не дают, сижу на пайке, все эти гранты РФФИ неприлично маленькие. Я говорю не о том, что российские ученые должны радоваться, я, наоборот, говорю, что их исследования пока поддерживаются на совершенно неподобающем уровне. Но мне кажется, что сейчас что-то начинает меняться в отношении к науке, и мой взгляд - осторожный оптимизм.