Учените за първи път успаха да „изключат“ човек с въздействие върху определена област от мозъка. Експеримент с жена, страдаща от епилепсия, разкрил къде се крие човешкото съзнание.
Неврофизиолозите, които се мъчат над разгадаването на тайните на човешкия мозък, плътно се приближиха към отговора на един от главните въпроси: къде е скрито и как се изключва нашето съзнание.
Експерименти по стимулиране и блокиране на различни участъци от мозъка се провеждат не едно десетилетие, но никога досега учените не са успявали изкуствено да изключат съзнанието с въздействие върху необходимия участък.
Преди десет години се появило предположение, че за функционирането на съзнанието – плавния поток от мисли, усещания и емоции – отговаря малка част на мозъка, наречена ограда (клауструм).
Това е тънка (около 2 мм) пластинка от сиво вещество във всяко полукълбо, разположена извън лещовидното ядро на крайния мозък.
Първи участието му в работата на съзнанието предположили неврофизиолозите Франсис Крик и Кристоф Кох, които смятали, че този орган трябва да свързва всички наши вътрешни и външни усещания.
Да се докаже правотата им, помогнал случай с 54-годишна жена, страдаща от нелечима форма на епилепсия. Д-р Мохамед Кубейси от университета „Джордж Вашингтон“ въвел в мозъка на жената малки електроди, за да изясни къде точно се раждат нейните припадъци. Един от електродите бил поставен до оградата, където електроди никога преди не са поставяни. Когато докторът подал на електрода ток с висока честота, жената загубила съзнание.
Тя престанала да чете на глас, взирала се с празен поглед в тавана, не отговаряла на звукови и визуални дразнители, дишането ѝ се забавило.
Щом въздействието приключило, жената дошла на себе си, без да помни за загубата на съзнание.
В статия в сп. Epilepsy & Behavior, описваща резултатите от експеримента, се казва, че изкуствената загуба на съзнание се случвала „на всеки десети опит“.
За да се уверят, че въздействието изключва съзнанието, а не води до загуба на реч (афазия) или способност за движение, жената преди подаването на импулса била приканвана да повтаря една и съща дума или да щрака с пръсти. Ако стимулацията бе парализирала мозъчния участък, който отговаря за движенията или речта, жената моментално би прекратила да говори или да се движи. Но в експеримента речта ѝ ставала все по-бавна, а движенията – плавни, докато напълно не загубела съзнание.
Тъй като нито преди, нито след опитите жената не изпитвала припадъци, учените не смятат, че загубата на съзнание е била свързана с тях.
Д-р Кубейси е сигурен, че експериментът доказва, че клауструмът наистина играе ключова роля в нашето съзнание. „Бих сравнил това движение с кола. За движението ѝ по пътя отговарят много неща: бензин, трансмисия, двигател – но има един стартов ключ, с който вие привеждате в действие всичко това. Тъй като съзнанието е сложен процес, осигуряван от множество структури и мрежи, ние открихме ключа към неговото разбиране“, пояснява докторът.
Подобни пулсации се наблюдават и в мозъка на пациенти по време на епилептични припадъци, затова учените ще се опитат да връщат съзнанието на хора по време на припадъка, въздействайки върху оградата с по-нискочестотен ток.
Енил Сет, неврофизиолог от университета на Съсекс, предупреждава да не се прибързва с изводите въз основа на един-единствен резултат. Тъй като за овладяване на припадъците на жената е била отстранена част от хипокампа, не можем да смятаме мозъка ѝ за „нормален“, смята лекарят.
Създадоха първата система за безжична мозъчна стимулация със светлина
Специфичен светочувствителен белтък, извлечен от микроби, помогна на неврофизиолозите от Масачузетския технологичен институт да създадат и успешно да проверят първата в света система за безжично управление на работата на нервните клетки.
В бъдеще този метод за манипулация на невроните ще помогне на медиците да спасяват епилептици от припадъци и да връщат зрението на хора с увредена ретина, става ясно от статията на учените.
„Нашето откритие служи като пример за това как неизчерпаемото генетично разнообразие на живата природа може да дава изключително мощни инструменти и химични реактиви, които могат да бъдат полезни за биологични и неврофизиологични изследвания.
Този белтък помага да се създадат нови методи за лечение на епилепсия и други разстройства на нервната система. Вярно, с клиничната практика ще се наложи да почакаме – за това пречи бактериалният произход на белтъка, поради което се налага да проведем множество нови изследвания за проверка на безопасността му за организма“, разказва Едуард Бойден, участник в изследването.
Той и колегите му са водещи специалисти в областта на оптогенетиката – методика за контрол и наблюдение на работата на нервните клетки в мозъка и други части на тялото с помощта на светлинни импулси. През март 2013 г. Бойден и някои други учени получиха The Brain Prize за откриването и усъвършенстването на оптогенетиката и откриването на потенциални методи за лечение на мозъчни разстройства.
До 2005 година, когато започнали първите оптогенетични експерименти, неврофизиолозите можели да наблюдават пряко работата на индивидуални нервни клетки фактически само по един начин – с имплантирани електроди в кората или в дълбоките мозъчни слоеве. Този начин за наблюдение на невроните има редица ограничения – например учените невинаги успяват да достигнат нужната част на мозъка, а електродите изключително лошо отчитат сериите бързи сигнали.
Освен това е почти невъзможно те да се използват за дългосрочно изучаване на работата на невроните – електродите обрастват със съединителна мозъчна тъкан, която ги възприема като чуждо тяло и се старае да ги изолира от нервните клетки.
Ситуацията се изменила в началото на XXI век, когато молекулярните биолози открили няколко белтъка в бактерии и водорасли, способни да светят под въздействието на ток или да изпускат електрически импулси при облъчване със светлина. Неврофизиолозите се научили да използват тези молекули за отчитане или „запис“ на сигнали от нервни клетки.
За разлика от електродите, такива молекули или инструкции по тяхното събиране остават вътре в самите неврони, което позволява да се наблюдава работата на единични нервни клетки и да се следят най-малките промени в тяхната електрическа активност в реално време.
И все пак оптогенетиката има един голям недостатък: видимата светлина много лошо прониква през тъканите на тялото, поради което учените, ако се опитват да управляват работата на невроните, се налага да въвеждат в мозъка специални светлинни влакна. По тази причина, независимо от всички теоретични преимущества на оптогенетиката, тя изпитва същите проблеми, както и класическите електродни методики на неврофизиологията.
Бойден и колегите му почти 10 години се опитват да създадат или открият в природата светочувствителни молекули, които биха реагирали не на видимата светлина, а на вълните на други диапазони от електромагнитното лъчение, пример за което е инфрачервеното. Биолозите успели да открият няколко десетки молекули в клетки на бактерии и водорасли, чиято чувствителност към инфрачервените импулси била недостатъчна за използване в оптогенетиката.
Учените от MIT решили да усъвършенстват белтъците родопсини, слабо реагиращи на инфрачервено лъчение, което успели да открият в археите Haloarcula marismortui и Haloarcula vallismortis: неврофизиолозите вградили гените, съдържащи инструкция по събиране на светочувствителни молекули, в ДНК на обикновена ешерихия коли.
Убедили се, че гените на родопсините са се интегрирали успешно в генома на бектариите, Бойден и колегите му обработили няколкостотин колонии микроби с огромни дози радиация. Учените получили хиляди нови варианти на белтъци, един от които, получил кодовото име Jaws, притежавал всички нужни свойства.
Това вещество, за разлика от своите бактериални прародители, не само реагирало на инфрачервена светлина, но и изработвало мощен електричен импулс, чиято сила трябвало да бъде достатъчна да накара неврона да изпусне сигнал.
Учените извлекли гена, съдържащ инструкции по събиране на молекулата Jaws, от генома на ешерихия коли и го поставили в част от нервните клетки на лабораторни мишки. При въздействие с инфрачервен лазер върху главата на гризача модифицираните неврони практически моментално се изключвали и не изработвали сигнали, докато работел източникът на светлина.
Както отбелязват самите изследователи, техният безжичен стимулатор на неврони засега работи на относително кратко разстояние – само три милиметра.
Бойден и колегите му смятат, че след облъчване на нова порция бактерии, при получаването на нови версии на Jaws те ще успеят да увеличат разстоянието на въздействие. Ако тези опити завършат успешно, учените ще се опитат да използват методиката на стимулация за потискане на огнища на епилепсия в мозъка на мишки или други животни.
