Грядет нейрореволюция
Автор: old.medach.pro
Публикация: 18.02.2018
Научные наборы Грега Гейджа делают исследования доступными любопытным

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.
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.
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.
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.