Научные наборы Грега Гейджа делают исследования доступными любопытным

Грег Гейдж оставил карьеру в инженерии, когда понял, что его настоящая страсть - нейробиология. Он создает наборы, чтобы помочь разбудить научный интерес в детях, чтобы они не "упустили свое призвание, как это случилось со мной". Многие из комплектов предназначены для экспериментов с тараканами. Backyard Brains предлагает недорогое оборудование для изучения Грег Гейдж - гарантированный источник шока и трепета на конференциях TED. Выступающий на протяжении многих лет, этот член TED уже продемонстрировал свои дешевые учебные комплекты а-ля “сделай сам” для ампутации ноги таракана и демонстрации возбуждения нейронов; дистанционно управляемого таракана-киборга, чтобы показать, как электрическая стимуляция изменяет поведение; а однажды вызвал добровольца из зала и продемонстрировал, как мозг одного человека может контролировать движения руки другого. Гейдж, не сумевший посвятить жизнь науке, является страстным революционером в преподавании нейробиологии. Его цель - сделать исследовательское оборудование, ранее использовавшееся только в университетских лабораториях, доступным для учителей и энтузиастов-самоучек. Грег рассказал TED-блогу о развитии Backyard Brains - своего проекта создания класса независимых исследователей нейронауки (и прибежища для поработавших на славу тараканов).

Расскажите нам о предпосылках, приведших Вас в науку. Вы всегда были увлечены нейробиологией?

На самом деле в течение многих лет я был инженером . Создавал печатные платы. У меня была хорошая работа в технологической компании, я жил в Европе, где возглавлял проектирование в европейском, ближневосточном, африканском и тихоокеанском отделах. Я всегда наслаждался наукой -  читал Scientific American и научные книги, но думал, что наука - это вещи, о которых вы узнаете еще в школе. То, что состоит из уже известных фактов. Я никогда не понимал, что наука может быть карьерой, которую вы могли бы сделать, - что можно получать деньги, проводя эксперименты, имеющие целью понять, как работает природа. Все изменилось, когда я посетил вечернюю беседу, посвященную астрономии, в Лейденском университете в Нидерландах. После лекции я говорил с присутствовавшими там аспирантами, и выяснил, что это и есть их повседневная профессиональная работа: ставить эксперименты, собирать данные, регистрировать результаты и заполнять документы. Понял: на их месте мог быть я! Мог стать ученым! Так что я оставил свою работу и вернулся в аспирантуру в Мичигане. Конечно, все вокруг твердили, что я сошел с ума, бросив хорошо оплачиваемое и комфортное дело.

И что Вы стали изучать?

Я был тем парнем, кто исследовал базальные ганглии, глубокие структуры мозга (смеется). Регистрировал сигналы с моторной коры, прилежащего ядра, стриатума. Я тренировал крыс для выполнения заданий на принятие решений. Когда они слышали сигнал, то шли в одну сторону, а когда я давал еще один - другим путем. В некоторых точках я подавал оба сигнала одновременно, чтобы запутать крыс и понаблюдать, какое же направление они выберут. Затем эти данные использовались для исследования клеток головного мозга. Я записывал последовательности спайк-сигналов, испускаемых клетками, соотнося их с моментом принятия решения, - это позволяло определить, когда возбуждалась та или иная клетка и получить представление о том, каковы на самом деле микроархитектура и микросхематика нашего мозга. Мы сделали несколько занимательных открытий: в частности, обнаружили, что т.н. интернейроны - отсутствующие у людей с шизофренией - в момент принятия Вами решения возбуждаются очень, очень быстро. Эти клетки, кажется, подавляют нежелательные решения, позволяя только сильнейшим импульсам пройти далее и быть выбранными.Это наблюдение довольно точно соответствует сиптоматике больных шизофренией. Это исследование было опубликовано в журнале Neuron и неплохо выдержало обрушившуюся на него критику. Backyard Brains предлагает недорогое оборудование для изучения нейробиологии, а также бесплатные онлайн-уроки и эксперименты, исследующие основные принципы работы мозга. Эта иллюстрация является частью урока, который идет в комплекте с Neuron SpikerBox, и исследует совместную работу нейронов и мышц.

Как Вы пришли к созданию наборов а-ля “сделай сам” для изучения нейронаук?

Учитывая мой опыт, я чувствовал, что важно объяснять, что такое карьера в научной сфере, чтоб не позволить молодым людям упустить свое призвание, как чуть было не случилось со мной. Во время обучения в аспирантуре я занимался пропагандой. Вместе с коллегой по лаборатории Тимом Марцулло мы посещали школы и рассказывали детям о том, как работает мозг. Мы хотели объяснить, что на самом деле есть куча возможностей для изучения нейробиологии. Я говорил детям: "Если вам нравится решать судоку, собирать паззлы или просто создавать что-то новое, вы влюбитесь в ремесло ученого." Мы с Тимом хотели организовать небольшое соревнование под названием "Мозги Решают!", для которых старались создать лучшие демо-модели, чтобы заинтересовать детей. Это была попытка привнести наши аспирантские исследования в класс, так, чтобы дети смогли увидеть нечто большее, чем просто демки, состоящие из шариков для пинг-понга в роли трансмиттеров. Многие модели в науке делают её слишком "веселой", так что она становится просто игрой - и тогда дети остаются без реального понимания того, как на самом деле работает мозг или нейроны . В 2008 году мы определили это желание как задачу и задумались об ее реализации. Но мы не могли принести в класс наше лабораторное оборудование, потому что оно стоит $40000. Мы не могли доставить туда наших животных, потому что это незаконно. Если кто-то хочет изучать работу мозга, он, как правило, должен поступить в аспирантуру - и это глупо. Такого не происходит в других областях науки. Вы можете изучать планеты или звезды, используя дешевый телескоп - и для этого Вам не требуется получать докторскую степень в области астрофизики. Таким образом, мы приступили к проекту, который назвали "Стодолларовый спайк" - вдохновленные стодолларовым ноутбуком Николаса Негропонте. Можем ли мы создать оборудование для изучения нейробиологии, достаточно качественное, чтобы его могли использовать студенты, и достаточно дешевое, чтоб его могли себе позволить школы? Шесть месяцев спустя на конференции Общества Нейронаук мы обнаружили первых единомышленников . Проект получил некоторую огласку. Люди начали писать нам, желая приобрести набор. Им нравилась идея создания  доступного в классах нейробиологического оборудования. Я все еще писал диссертацию, регистрировал данные, обучал крыс. Имел пару громких публикаций, но серьезной обратной связи не получал никогда. Но из-за этого маленького проекта на нас с Тимом обрушился шквал электронных писем. В диссертационном исследовании я изучал, как базальные ганглии используют дофамин, чтобы изменить вероятность поведения в будущем. Так что по причине постоянного получения положительных отзывов на стодолларовый проект - и ни одного на нашу основную деятельность - мы решили сосредоточиться на этом предприятии. Мы назвали его Backyard Brains. Флагманский продукт Backyard Brains, Neuron SpikerBox, является “усилителем биопотенциалов" и позволяет преобразовывать нейрональные спайки у насекомых и других беспозвоночных в слуховые и зрительные сигналы. Стоит он $ 99 и был вдохновлен стодолларовым ноутбуком Николаса Негропонте.

Как работает и чему обучает ваша продукция?

У нас есть ряд изобретений. Первым был Neuron SpikerBox, комплект, позволяющий записывать импульсы живых клеток мозга насекомых. Идея в том, чтобы преподавать в классе электрофизиологию. Мы продемонстрировали процесс на TED Youth: сначала вы обезболиваете насекомое в ледяной воде - именно этот способ рекомендован Винсентом Вигглсуортом, который в 1980 опубликовал ставшую общепризнанной статью о боли у насекомых. После того, как таракан обезболен, мы удаляем одну из его ног и снова согреем ее, запустив нейрональное возбуждение. Далее вонзаем в нее булавку, которая примет маленький спайковый электрический разряд и усилит его - так что мы сможем его услышать. После этого его можно обработать собственным смартфоном и увидеть, записать и проанализировать полученные о нем данные. И таким образом вы можете провести с дюжину экспериментов. Можете исследовать соматотопию - какие нейроны отвечают за действия различных частей ног и где эти нейроны расположены? Это очень похоже на работу различных участков  нашего мозга; наша соматосенсорная кора устроена определенным образом, таким, что наши пальцы и руки представлены большими участками, в то время как задние поверхности бедер - очень небольшими областями. Проводя такие эксперименты с тараканьими лапками, можно выяснить некоторые из принципиальных представлений о работе нейронов в определенных областях ног.

А вы можете раздражать какой-то конкретный нейрон в отдельности? Скажем, этот нейрон отвечает за движение, этот - за боль, этот улавливает касание...

Вы говорите скорее об их плотности и местоположении. Что важно - нижняя часть лапки таракана ведь, по сути, аналогична кисти руки. Там вы встретите намного более густую сеть нервных окончаний, в то время как в верхней части руки их будет не так много. На данной модели вы также можете изучать нейрофармакологию - глядя на то, как нейроны реагируют на увеличение концентрации нейротрансмиттеров. Вы можете исследовать функциональную электростимуляцию, которая используется для лечения людей после инсульта - в основном, для стимуляции мышц с помощью электрического разряда. Это то, что мы делаем, когда заставляем тараканью ногу танцевать в такт с музыкой из подключенного IPod. Эти действительно передовые опыты из области нейронауки мы делаем доступными людям на любительском уровне и уровне средней школы. Также у нас есть линейка продуктов под названием Muscle SpikerBox, который позволяет записывать сигналы с “каналов выхода” человеческого мозга - мышц. Запись начинается от моторной коры и ниже, так что регистрируются импульсы с предплечий и возможные движения кистей рук. Записываются отдельные двигательные импульсы от самого дистального двигательного нейрона спинного мозга - так что вы можете наглядно увидеть, как этот нейрон в мозге сообщает мышце движение. Backyard Brains выпустил комплект Roboroach как "первого в мире коммерчески доступного киборга". С помощью него студенты могут управлять беспроводным образом направлять таракана влево-вправо, стимулируя нервные окончания его усиков.

А что расскажете о Roboroach, комплекте, позволяющем дистанционно управлять живым тараканом? Вы представили его как первого в мире коммерчески доступного киборга.

Roboroach - изобретение, интересное потому, что позволяет изучать поведенческие функции мозга. Хирургическим путем вы помещаете на спину таракана электронный рюкзак, который посылает электрический ток непосредственно в нервные окончания тараканьих усиков. Когда вы, используя мобильное приложение, посылаете электрический импульс, таракан отвечает на него изменением поведения. Вы можете спросить: "Почему он это делает?" Такова природа таракана - вы касаетесь его усов, а он движется в другом направлении. Это называется “поведение обхождения препятствий”. С помощью комплекта Roboroach, мы взаимодействуем с теми же нейронами при помощи небольших электроимпульсов. Мы заставляем таракана думать, что усами он коснулся преграды. Поведение - вот что в нейробиологии действительно интересно. Нейроны - то, что срабатывает, когда мы что-то делаем или думаем о чем-либо. Они управляют поведением. Чем больше вы наблюдаете за связью работы нейронов и поведения, тем интереснее становится изучение.

Тот факт, что SpikerBox и Roboroach требуют ампутации частей тела таракана, вызвал немало споров среди активистов-защитников животных. Что вы скажете об этом?

Я думаю, что это лишь частичное восприятие работы и, собственно, значения Roboroach. Некоторые люди думали, что Roboroach - постоянно дистанционно управляемое насекомое, и это порождало еще более жуткие домыслы. На самом деле это не так. Реальность такова: на таракане схема работает, потому что насекомое в природе живет по весьма простым правилам. Но очень скоро оно адаптируется и к неестественной стимуляции. Через 15 минут таракан начинает игнорировать “рюкзак”. Он сохраняет собственную свободную волю. Другой вопрос - причинение боли или нанесение таракану вреда. Для установки микростимулятора Вы помещаете насекомое под ледяную воду, удаляете часть усика и размещаете внутри несколько стимулирующих проводов. После этого, вы удаляете “рюкзак” и помещаете таракана обратно в клетку. Мы внимательно наблюдали за поведением до и после операции, и обнаружили, что таракан при любом раскладе нормально функционирует и с усиками меньшего размера. У нас есть сообщество пенсионеров под названием "Shady Acres" для тараканов, которые посвятили себя служению Backyard Brains. Когда мы кладем им в клетку еду, их антенны так же начинают двигаться, они идут за ней. Жизненные функции их, по-видимому, не страдают. Они живут так же долго, как и другие - смертность тараканов, используемых в экспериментах равна смертности в группе контроля. В дикой природе вы увидите тараканов вовсе без усиков и даже конечностей. Их способность легко восстанавливаться после повреждений отличается от человеческой. Но вопрос в том, какова польза таких опытов для человека и стоит ли она нанесенному таракану вреда? Об этом вы должны задумыватся каждый раз, когда ставите эксперимент на животных. Польза заключается в возможности продемонстрировать нейротехнологии группе студентов, которые могут быть заинтересованы научной карьерой. Студенты могут изучать нервную систему в связи с поведением и узнать, как самые передовые неврологические методы лечения работают на людях. Roboroach основан на глубокой стимуляции мозга - та же технология используется для лечения такого заболевания, как болезнь Паркинсона. Около 20% населения мира страдает неизлечимыми неврологическими расстройствами. Поэтому, думаю, возможная польза для человечества делает изучение мозга с помощью насекомых нашим моральным долгом. Reaction Timer работает с EMG SpikerBox, измеряя и регистрируя время двигательной реакции человека в ответ на различные раздражители.

Вы можете использовать Backyard Brains для изучения когнитивных способностей человека?

У нас есть набор, с помощью которого можно измерить, сколько времени потребуется вашим глазам, чтобы увидеть что-то, и для вас, чтобы среагировать. Мы можем зарегистрировать время, которое пройдет, прежде, чем вы начнете двигаться, увидев зеленый сигнал светофора. Оно составляет около 350 миллисекунд. Мы можем усложнить эксперимент. Помимо зеленого, мы можем использовать дополнительный красный свет, чтобы отвлечь вас. Задача та же: реагировать на зеленый так быстро, как только сможете. Но время реакции увеличится, потому что вы должны быть уверены, что двигаетесь на правильный цвет. Вы можете также записать, сколько времени требуется вашему мозгу для решения этой дополнительной когнитивной задачи. Таким же образом Вы можете использовать звуковой сигнал и узнать, как долго информация переходит от рецепторов уха к вашим мышцам. Оказывается, зрительный сигнал передается на 100 миллисекунд быстрее, потому что наш зрительный тракт содержит больше нейронов, чем слуховой, а мы являемся преимущественно существами-визуалами.

Расскажите о сути ваших последних изобретений?

Мы двигались в сторону создания нейронных интерфейсов - подключения машин к мозгу с помощью электрических сигналов, которые можем обнаружить. У нас есть устройства, на основе плат Arduino, с их помощью студенты строят компьютерные интерфейсы со своих собственных мышц, сердца или головного мозга. В выступлении TED этого года использовали Muscle SpikerBox в паре с Arduino для управления стимулятором мышц. Мы называем это "интерфейс-от-человека-к-человеку". Мы ориентируемся на новейшие технологии, используемые лабораториями, и создаем их DIY-версии. Сейчас мы разрабатываем OptoStimmer, который скоро сделает доступными для использования в классе инструменты оптогенетиков. Оптогенетика - передовая технология,позволяющая включать и выключать конкретные нейроны в головном мозге с помощью генного наведения. Конкретные нейроны позволяют проявиться гену, отвечающему за образование маленьких каналов, функция которых - помогать коммуникации клеток в момент, когда вы освещаете их. Как правило, свет не влияет на нейроны, так что этот метод возбуждает только целевые нейроны и провоцирует их спайковую активность. Вы можете прерывать световой импульс, и все прочие нейроны станут игнорировать его, кроме тех, которые вы хотите контролировать. Теперь у вас есть удивительная возможность включать или выключать любой нейрон в любое время. Я не могу переоценить важность этого метода для нашей области. Это нечто, аналогичное по значимости святому Граалю, так как вы можете выяснить, как  на самом деле работают нейроны. Это дает ответы на давно обсуждаемые вопросы. Например, никто не знал, как глубокая стимуляция мозга помогает в лечении болезни Паркинсона. Да, было множество теорий и моделей, но лишь теперь они могут быть проверены. Ученые тщательно “прицелились” в предполагаемые нейроны у мышей и других животных с помощью оптогенетики, использовали импульсный свет и увидели, на какие из нейронов на самом деле были оказаны терапевтические эффекты. Оказывается этого не произошло даже в месте непосредственного стимулирования в глубоком мозге - но был еще один участок в моторной коре, и вот там лечение подействовало. Мы хотели бы сделать этот инструмент доступным для учащихся средней школы, чтобы они могли ставить эксперименты с использованием плодовых мух. Они будут в состоянии сделать несколько записей от оптогенетически запрограммированных мух под микроскопом. Затем подвести немного света от ярко-красного диода, который светит через кожу плодовой мушки. Когда целевой нейрон облучится красным светом, он начнет испускать спайки. В зависимости от того, какой нейрон был запрограммирован, вы можете навязать им совершенно разные поведения: от аналогичного тому, будто они попробовали что-нибудь сладкое, до воспроизведения лунной походки Майкла Джексона. Вы сможете увидеть, как конкретные нейроны влияют на поведение.

Есть ли за пределами классной комнаты нейробиологи-любители, использующие продукты Backyard Brains для какого-нибудь исследования?

Да. Одной из наших целей является создание рецензируемых статей, написанных любителями и отправленными ими прямо из дома. Это уже происходит в математике и астрономии, но не в нейробиологии. Мы хотим это изменить. Мы хотим, чтобы реальные открытия производились дома с использованием нашего оборудования. Что мне нравится в Backyard Brains так это то, что мы продвигаем не только продукцию, мы продвигаем эксперименты. Мы хотим, чтобы они были инновационными и образовательными. Мы хотим разработать новые инструменты и методы, которые сможем опубликовать в научных рецензируемых журналах. Мы обучаем студентов тому, как ставить эксперименты, записываем их ход и публикуем. Наша первая статья о SpikerBox была опубликована в 2012 году в PLoS ONE, с тех пор не прошло ни года без публикации. Наша работа не зависит ни от одного университета и финансируется деньгами, которые мы получаем с грантов и продаж Backyard Brains. Это классное чувство - наконец стать независимым ученым. Наша цель - увидеть научные статьи, опубликованные нейробиологами-любителями. Нейрореволюция грядет.

Оригинал статьи 

Перевод: Даня Ряскина