теги: нейрофизиология мозг биология

Татьяна Строганова — профессор, доктор биологических наук, руководитель Центра нейрокогнитивных исследований (МЭГ-центра) Московского городского психолого-педагогического университета (МГППУ). Сама она нередко называет себя нейрофизиологом, исследующим человеческий мозг. Сначала с помощью электроэнцефалограмм, а в последние годы с помощью уникального прибора — высокоточного магнитого энцефалографа (отсюда и МЭГ-центр).

Её основной научный интерес связан с измерением ритмов коры головного мозга — главным образом у новорождённых и младенцев. С попытками понять, какую они дают информацию о том, что происходит внутри. И как они связаны с работой нейронов на молекулярном уровне и с нарушениями в их работе.

Последние её исследования напрямую связаны с возможностью точной диагностики аутизма на самой ранней стадии. И если ей удастся объединить свои усилия с генетиками и нейрофизиологами, работающими с животными, дети, страдающие аутизмом, получат шанс... А это, по оценкам экспертов, один из двухсот новорождённых.

***

Мы с Татьяной договорились встретиться на даче. Дача (и это, конечно же, не случайно) соседствует со Звенигородской биостанцией и заказником биологического факультета МГУ, располагаясь на краю академического посёлка. Веранда и большой овальный стол, за которым умещается много гостей. Мы сидим за ним вдвоём и беседуем о том, как складывался её путь в нейрофизиологии — самой, пожалуй, загадочной науке, исследующей глубинные механизмы работы нашего мозга.

[Кот Шрёдингера] У вас в роду четыре поколения биологов — непрерывная традиция. Наверное, это повлияло на ваш выбор — пойти на биофак МГУ и стать нейрофизиологом?

[Татьяна Строганова] Нейрофизиологом — это, естественно, на биофак. Этому просто нигде не учили и не учат, кроме как на кафедре высшей нервной деятельности биофака. Это уникальное место, потому что там соединяются клеточные нейрофизиологи и нейрохимики с теми, кто занимается мозговыми структурами, и с теми, кто изучает мозг человека. Обычно те люди, которые занимаются клеточной или животной нейрофизиологией, с людской нейрофизиологией не очень-то соприкасаются. Но ведь если ты не понимаешь базовые процессы, бесполезно двигаться дальше.

[КШ] То есть если не понимаешь, что происходит у крыс...

[ТС] Да, абсолютно точно: наверху то же самое, что и внизу. И именно эта кафедра давала возможность выстроить эту последовательность — от крысы к человеку. Более того, от нейрона к человеку, от одного нейрона к ткани и потом к крысе, потому что крыса — это уже сложнейшее существо с мозговыми структурами.

Этим, вообще-то, и отличается настоящая наука, которая идёт от простого к сложному. В ней всё логично. И та закалка, которую я получила на факультете и на кафедре, осталась со мной навсегда. Прививка против «натурфилософии».

[КШ] А вы знали, куда идёте, когда поступали на биофак?

[ТС] Конечно не знала. Всё просто удачно получилось. В 15-летнем возрасте невозможно сделать разумный выбор профессии: ты в первую очередь не знаешь саму себя.

И то, что я занялась мозгом после университета, тоже была в значительной мере случайность. У меня была мачеха, человек весьма харизматичный, и она как раз занималась энцефалограммами (ЭЭГ). Так часто бывает, когда человек, с которым ты общаешься, влияет на твой выбор. Биология — это точно была биология, а вот что в биологии... А мозг — это, во-первых, потому что было модно и, во-вторых, потому что была мачеха.

А дальше уже началось взаимодействие этого случайного выбора под влиянием конкретного человека и моей собственной натуры, которая хочет изначальной простоты. Мне казалось, что нужно идти или в Институт нейрохирургии имени Бурденко, и тогда это вживлённые в мозг человека электроды. Другой вариант — если уж мы изучаем мозг с помощью ЭЭГ, то надо спускаться к новорождённым и младенцам.

И тут повлияла очень смешная вещь, потому что мне тогда казалось, что я ничего не умею и не знаю. И что я сама по себе, такая, какая есть, не представляю собой никакого интереса. И как это я приду в институт и скажу: «Возьмите меня в лабораторию»? Что я могу им предъявить? И я побоялась идти в институт Бурденко.

[КШ] Это после биофака-то?

[ТС] После моего красного диплома на биофаке. И уже потом я узнала, что это черта многих женщин, которые на самом деле добиваются успеха.

Я не знаю, завышенная ли это требовательность или же просто неадекватность оценки... Для меня это и потом было всегда характерно. А дальше, опять же по стечению обстоятельств, а точнее, благодаря связям моей бабушки я попала в Институт мозга РАМН. В лабораторию, которая занималась ранним развитием мозга животных. И там была дама — Раиса Ивановна Поликанина, которая единственная в этой лаборатории, да и вообще в СССР, занималась ЭЭГ новорождённых. А у меня тогда было сложное положение, потому что в начале 5-го курса у нас родилась Аська. Денег не было, и родители нам не помогали. И тут — бабушка подсобила.

[КШ] И вы получили то, что хотели, чем вы считали нужным заниматься в науке.

[ТС] Да, получила ровно то. А дальше, буквально через три месяца после начала работы, отправили на пенсию мою научную руководительницу. И я оказалась один на один с новорождёнными. К счастью, у меня уже был опыт обращения с ними, поскольку я сама недавно родила ребёнка.

Мне был 21 год... И я оказалась без человека, который мог бы поставить мне задачу. Один на один с этой очень непростой областью, да и области, по сути, не было. И, как я теперь понимаю, это был полный караул.

Дальше начались хождения по мукам... Потом я задавала себе вопрос: а почему я всё это не бросила? У меня ведь было неплохое образование, был красный диплом, и я могла приложить свои силы где-то ещё. Почему я тупо билась в эту заколоченную гвоздями дверь? И только потом я осознала, что такова одна из образующих моей натуры. Не ищи лучшего места, не ищи лучшей жизни — я не знаю почему. И это совсем не из-за недостатка у меня энергетики или желания сделать что-то хорошее. В итоге мне всё же повезло, но года через четыре. Политика тогда в очередной раз изменилась, и я наконец-то обрела свою собственную базу для исследований.

Фото: Артём Попович

Работа мозга на уровне нейронов. Что измеряет ЭЭГ.

[КШ] Я помню, как очень давно вы мне рассказывали о мозговых ритмах, которые тогда начинали измерять и анализировать. Это ведь такая интегральная штука?

[ТС] Это как раз и плохо. Лучше бы чего попроще.

[КШ] Что же на самом деле измеряет ЭЭГ? И какое всё это имеет отношение к тому, что происходит внутри?

[ТС] Это интересный вопрос — что же на самом деле все эти приборы (ЭЭГ и МЭГ) измеряют. Нейроны работают на электричестве, и существуют два типа работы нейрона. Первый — это электрический разряд, когда в нейроне возникает достаточно быстрый ток, который бежит по нервному волокну и достигает нейрона-мишени. Второй тип связан с медленными изменениями внутренних дендритных потенциалов. У нейрона есть множество отростков, на которые может приходить возбуждение. Нейрон разбрасывает свои «ветви» в разные стороны и принимает огромное количество приходящих импульсов от других нейронов и нейронных сетей. И у него есть только один выход — аксон.

Если суммарная сила внутренних дендритных токов недостаточна для прохождения нервного импульса, то передачи возбуждения другому нейрону не происходит. Следовательно, не возникает цепочки возбуждённых нейронов, которые и являются той электрической схемой, на которой работает мозг. То есть дендритные потенциалы могут либо удалить нейрон от порога срабатывания, либо, напротив, приблизить к нему.

[КШ] А может ли нейрон вступить во взаимодействие сразу с несколькими нейронами?

[ТС] Конечно, потому что выход для электрического импульса один, и он либо сработал, либо нет. А дальше кончик аксона может ветвиться, так что один нейрон сможет возбудить несколько соседей.

В мозге есть масса механизмов, которые предотвращают срабатывание сразу многих нейронов — одновременную разрядку их потенциалов действия. Потому что в норме работа мозга — это очень строго оркестрованное порционное возбуждение и торможение нейронных групп. Ну и что же вы мерите, господа?

[КШ] Получается, что ЭЭГ не отражает деятельность мозга?

[ТС] Она её отражает, и вот в каком смысле... Электрод энцефалографа стоит на поверхности головы, и между генерирующей структурой (корой мозга) и электродом находится, на минуточку, кость, у которой с проводимостью совсем плохо. А ещё кожа, у которой с ней, напротив, хорошо, и всё это влияет на измерения. И как мы знаем из физики, токи и диполи — это, вообще-то, векторные величины, и для того чтобы суммироваться, они должны располагаться параллельно, а не хаотично. А они располагаются по-разному. Кора мозга — это шестислойная структура. И в этих слоях нейроны организованы колонками. Представьте себе, что эти слои сложены из столбиков монет разного цвета: нижний — синий слой, потом идёт жёлтый, красный... Цвет монет создаёт слой, а сами столбики создают нейронные колонки. Такова колончато-слоистая организация коры мозга. И вот в этих колонках есть в том числе пирамидальные нейроны — большие нейроны, ориентированные ортогонально поверхности коры (в третьем и пятом слоях). И единственное, что мы на самом деле мерим, — это активность пирамидальных нейронов.

[КШ] А давно это поняли?

[ТС] Да, довольно давно. Однако из тех людей, которые занимаются ЭЭГ, мало кто это понимает. Они не понимают, что видят очень выделенную часть того, что происходит. Но я всегда считала, что меньше — это лучше, потому что проще разобраться.

Итак, ты меришь довольно сильные, хорошо суммируемые дендритные потенциалы (суммация коротких импульсов — дело тяжёлое, поскольку окно возможностей для этого очень маленькое). Именно на основании этих потенциалов нейроны принимают решение, разрядиться им или нет. И не так уж плохо это звучит.

Фото: Артём Попович

Альфа-ритма, мю-ритм и другие

[ТС] Исследования мозговых ритмов у человека начались с того, что в 1929 году немецкий психиатр Ганс Бергер, приложив электрод к голове, обнаружил, что человеческий мозг генерирует электрическую активность. И что она имеет ритмическую природу — осциллирует. Это означает, что нейрон то приближается к порогу срабатывания возбуждения или торможения, то удаляется от него. И это почти синусоидальный процесс.

Бергер открыл с помощью ЭЭГ альфа-ритм, и до сих пор на альфа-ритме делаются тысячи работ. Оказалось, что этот ритм очень чувствителен к разного рода нагрузкам. И основное, что он делает (это довольно любопытно), — он исчезает, когда кора мозга занята своей работой... Выяснили также, что этот ритм создаётся зрительной корой мозга, которая находится в затылочной доле. Это зрительный ритм. Но давайте вернёмся к началу моих собственных исследований — когда я наконец-то обрела свою собственную базу и меня оттуда никто не гнал.

Первое, с чем я столкнулась, когда мы начали измерять ЭЭГ у младенцев, была очень любопытная вещь. Я начала записывать энцефалограмму и обнаружила, что мне очень мешает детская моторная активность, — она мешает что-либо зафиксировать, кроме артефактов мышц головы. А ещё ребёнок потеет, и это даёт дополнительные артефакты. Слава богу, у меня был к тому моменту опыт матери — ну, игрушечку подвигать и т. д.

Мы начали с исследования зрительных альфа-ритмов — как этот ритм реагирует на что-то. Например, как он уходит. Это происходит как раз в тот момент, когда зрительные нейроны начинают заниматься своим делом. Когда им надо прицельно и точно обрабатывать зрительную информацию, они рассинхронизируются.

А когда они синхронно колеблются в альфа-ритме, они находятся в неактивном состоянии — инактивированы. И природа этой инактивации может быть двоякой. Первая инактивация связана с тем, что зрительная информация просто не поступает. Вторая, активная инактивация заставляет зрительную систему «заткнуться», поскольку обработка зрительной информации мешает в этот момент выполнить какую-то другую важную задачу.

Объясню на простом примере. Аналогичный ритм существует в сенсомоторной системе — это мю-ритм. Когда ты движешься, он отсутствует, но если замрёшь, он начнётся — в твоей сенсомоторной коре. Если кошка следит за мышью, которая должна появиться из норки, у неё регистрируется мю-ритм. Такой же ритм в слуховой системе — тау-ритм. В каждой сенсорной системе существует свой ритм инактивации. Когда кошка следит за норкой, у неё, конечно, есть приток сенсомоторной информации. Но его обработка давится, потому что основной приток, который ей надо обрабатывать, зрительный.

[КШ] Получается, что разные функции мозга как бы уступают друг другу активность.

[ТС] Да. Эту так называемую регуляторную инактивацию подробнейшим образом исследовали на животных. Именно она обеспечивает привилегированный канал поступления сенсорной информации. И когда я стала мерить ЭЭГ у грудных детей, первое, что я увидела, был сенсомоторный мю-ритм, когда они чрезвычайно напряжённо наблюдали за манипуляциями с игрушками. Это было совершенно потрясающе, потому что до этого его мало кто описывал. Более того, многие принимали его за альфа-ритм. Но ведь альфа-ритм как раз блокируется при активной обработке зрительной информации! Значит, они видели какой-то другой ритм и принимали его за альфа.

То, что я увидела, когда стала исследовать грудных детей, — это была полная сумятица и непонимание того, что же означают все эти ритмы. И я поняла, что надо навести порядок и разобраться наконец, какие виды ритмов существуют и с чем они функционально связаны. Это была моя первая настоящая научная работа. С неё начались мои зарубежные публикации, и это была первая часть моей научной биографии.

Фото: Артём Попович

Тета-ритм и процесс обучения

[ТС] Я очень люблю эти мои младенческие исследования, они были чрезвычайно интересны. Потому что ещё есть ритм, который связан с памятью и эмоциями, — тета-ритм. В мозге взрослого человека он довольно слабый, потому что в экспериментальных условиях очень трудно вызвать те состояния, которые его обеспечивают. Это очень высокий уровень умственного напряжения, когда память переходит в режим извлечения информации онлайн.

[КШ] Какая же функция оказывается тут незадействованной?

[ТС] Правильный вопрос! Тета-ритм помогает сконцентрироваться только на обработке данной конкретной информации. Когда он возникает, это значит, что вся лишняя информация отбрасывается. Мы показали, что если у взрослого человека на спектральном анализе ЭЭГ этот ритм почти незаметен, то у грудного ребёнка наблюдаются мощные, почти синусоидальные тета-ритмы в течение 2–3 минут. Нам тогда говорили: «Вы эпилептические судороги записываете у малыша, а не настоящий ритм — такой синхронизации просто быть не может».

[КШ] Младенцы пытаются так на чём-то концентрироваться...

[ТС] Они не пытаются! Они так на чём-то сконцентрированы, как вам и не снилось. Потом эта способность теряется — природа от нас отступает... Потом уже выяснилось, что это связано с нейрохимией мозга, которая фантастически меняется за период нашего развития. Они — те самые герои, которые в раннем возрасте сконцентрированы так, как способны во взрослом возрасте лишь немногие из нас. Например, когда сосут палец — у них тогда регистрируются бешеные тета-ритмы, и в это время никакая другая информация недоступна для обработки. Тета-ритм возникает и при кормлении.

[КШ] А медитация у взрослых?

[ТС] Да, есть особые типы медитации у взрослых, которые вызывают тета-ритмы. А знаете, когда бывает самый крутой тета-ритм? Когда вы с ребёнком разговариваете. Под влиянием речевого воздействия в лобной коре начиная примерно с 4–5-го месяца регистрируется бешеный тета-ритм. И ещё когда он манипулирует чем-то, например игрушками (ориентировочно-исследовательская деятельность), — это вообще самый эффективный способ вызвать тета-ритм.

Вообще это основной ритм мозга грудного ребёнка, в отличие от взрослого человека. И мы показали, что эта концентрация внимания может иметь у малыша и когнитивную природу. И сделали это на очень простом эксперименте — на примере игры в «ку-ку»: один человек сидел за энцефалографом, а другой играл с ребёнком. Он появлялся из-за экрана, говорил: «Привет, ты меня ждёшь?» и опять исчезал. Если это повторить несколько раз, появление становится предсказуемым — ребёнок уже знает, что ты появишься в следующий раз. И он концентрирует своё внимание на пустом пространстве. Это фантастика! Тётеньки нет, но он извлекает её образ из своей памяти, и именно ожидание её появления управляет его вниманием, а не непосредственное сенсорное окружение.

[КШ] Иными словами, его предшествующий опыт?

[ТС] Опыт и его желание развлечься. А вокруг при этом масса отвлекающих вещей, и ему нужно их блокировать, организуя своё поведение на основе цели и предшествующего опыта. Цель — развлечься и получить соответствие своего прогноза реальности. И мощнейший тета-ритм при этом.

[КШ] Означает ли это, что тета-ритм всегда возникает при процессах обучения?

[ТС] Точно. Там требуется концентрация, извлечение и погружение информации в память.

[КШ] Способность к концентрации у нас ведь генетическая?

[ТС] А мы не знаем... но это любопытно. Мы показали, что есть сильная корреляция между мощностью этого ритма и способностью ребёнка концентрировать внимание (один может 2 секунды ждать, а потом отворачивается, другой — 10–15 секунд) — но не на внешней информации, а на содержании своей памяти. Или же насколько ребёнок мотивирован — разделить это трудно.

Интересно также, что при ожидании этот ритм возникает исключительно во фронтальной коре. Это наиболее эволюционно поздняя кора, и у нас по сравнению с нашими ближайшими родственниками — приматами её объём резко увеличен. Её также называют основным тормозящим центром мозга, поскольку она способна затормозить любое поведение, которое не соответствует цели. Тета-ритм означает, что фронтальная кора вступила во взаимодействие с резервуаром памяти онлайн.

Почему мы всем этим занимались? Потому что у нас не было в руках никаких более тонких и точных инструментов исследования человеческого мозга. И я до сих пор считаю, что применение ЭЭГ для исследования младенцев сильно недооценено. И что с ЭЭГ можно сделать массу суперинтересных вещей, несмотря на то что это очень простой инструмент и дешёвый. И сейчас, когда мы стали работать на МЭГе, я хочу опять вернуться к ЭЭГ младенцев, но уже на совершенно другом уровне.

А тогда нас интересовали тета-ритмы у здоровых детей, и мы их стали исследовать на парах годовалых близнецов. У нас были моно- и дизиготные близнецы, то есть генетически идентичные (близнецы) и наполовину генетически схожие (двойняшки). Идея очень простая: если некое исследуемое свойство определяется чистой генетикой, то близнецы будут похожи на 100%, а двойняшки — на 50. Если же оно зависит только от внешней среды, то и двойняшки, и близнецы будут одинаково похожи.

И выяснилась удивительная вещь: если мы говорим о мощности сенсорных ритмов — зрительных, слуховых, моторных и проч., — то там 70% генетики. Что же касается тета-ритма, то обнаружился значительный вклад систематической среды. Всё это было опубликовано, но странным образом не привлекло внимания.

[КШ] То есть способность к обучению — это в значительной мере результат действия среды?

[ТС] Да, и это очень странно. Генетический вклад там всё равно больше, но вклад среды был достоверен. Но какая же это может быть систематическая среда? И мы тогда открыли «эффект бабушки». Понятно, что взаимодействие человека с человеком, коммуникация — это основной источник всего в грудном возрасте. И мы получили, что в семьях с бабушкой дети показывали более сильный тета-ритм под нагрузкой. Никакой магии: возможности младенческой фронтальной коры невелики, но есть внешний концентратор — бабушка. Это эффект тренировки.

[КШ] Означает ли это, что тета-ритм можно тренировать?

[ТС] На первом году жизни да.

[КШ] А если тренироваться всю жизнь — ну, занимаясь наукой, например?

[ТС] А этого никто никогда не проверял. Как правило, те, кто использует ЭЭГ для анализа активности мозга грудных детишек, не понимают, что, не уравняв их поведенческие состояния, они не имеют права анализировать информацию о ритмах. Эти ритмы чрезвычайно тонко отражают изменения в состоянии мозга. Один ребёнок пришёл к вам в замечательном состоянии, и ему тётя понравилась. А другой ребёнок, которого вы еле успокоили, — он, конечно же, не сможет сконцентрироваться. Поэтому все измерения нужно проводить под нагрузкой — это была моя идея. И гарантировать, что вовлечение внимания одинаково у обоих детей, играющих в игрушки.

[КШ] Удивительно, что раньше никому не приходило в голову обеспечить повторяемость условий эксперимента.

[ТС] Это другая культура, понимаете? Исследования мозга — да, простыми инструментами, но которые базируются на естественно-научных подходах. И исследования, которые пришли совершенно с другой стороны — из психологии. Они принципиально разные.

[КШ] А психология — это вообще не естественно-научная область знания.

[ТС] Но она сейчас очень быстро становится ею.

Фото: Артём Попович

Гамма-ритм и поиски биомаркера аутизма

[ТС] Может ли тета-ритм генерироваться, когда ребёнок просто сидит, ничего не делая? Да, и такое происходит при различных генетических поломках. Кора вступает во взаимодействие с резервуаром памяти «ни для чего», просто так — и мы регистрируем спонтанный, «дармовой» тета-ритм. Возникает эффект занятой линии, потому что ритмы — это всегда отфильтровывание ненужного. Таким детям ничего не нужно от внешней среды. И вот когда я стала заниматься аутизмом...

[КШ] Аутизм — это ведь генетическое нарушение?

[ТС] Это довольно любопытное нарушение, потому что это не болезнь в обычном смысле слова (когда известны её причины и механизмы), такая как краснуха или панкреатит. Аутизм — это собрание болезней, врождённое нарушение развития, имеющее множество причин и множество форм. При этом каждая из этих форм характеризуется некоей общей чертой — нарушением социальной коммуникации. Всё.

Так вот, если ты честная женщина, ты должна понять, что тебя привели в очень грязную кухню. И первым делом надо бы немного убраться, прежде чем готовить пирог. Но с какого конца приняться за уборку? Ведь за аутизм отвечает не один ген и не два, а сложное взаимодействие многих генов, и их при этом не менее тысячи...

[КШ] А главный ген удалось найти?

[ТС] Хороший вопрос. А тебе не с чего потянуть... Правда, в течение последних 15 лет активнейшего исследования аутизма от него каждый год «отщепляли» какие-то болезни, возникающие из-за аномалии какого-то одного гена. Чаще всего им сопутствовали тяжёлые умственные расстройства. Однако аутист может быть и чрезвычайно одарённым человеком — тем не менее ему всё равно трудно жить в социуме.

Итак, с генетики «уборку» не начнёшь. С поведения? Прекрасно, но ведь к этому поведению могут привести абсолютно разные пути!

[КШ] Но тогда получается, что приведённое вначале определение аутизма вовсе не является определением.

[ТС] Да, не является. Но нам нужно с чего-то начинать уборку. Генетики говорят: мы тут у вас делаем что можем, извините... Например, им удалось показать, что какая-то группа генов, ассоциированная с аутизмом, экспрессируется в одно и то же время постнатального развития во фронтальной коре мозга. «Экспрессия» означает не что иное, как то, что ген заработал, то есть на нём, как на матрице, начали синтезироваться белки

Мои исследования аутизма начались с совместной работы, которую мы сделали в 2006 году — в Москве и в Гётеборге. Мы тогда неожиданно обнаружили, что у аутистов, в отличие от здоровых детей, были заметно увеличены очень высокочастотные ритмы ЭЭГ — так называемые гамма-ритмы. Проблема в том, что гамма-ритмы очень трудно фиксировать, поскольку черепные мышцы генерируют свою собственную электрическую активность, но нам удалось обойти эти трудности. И наша работа вызвала огромный интерес у животных физиологов. А где-то через год то же самое было показано на животных моделях аутизма.

[КШ] А с чем вообще связан этот ритм?

[ТС] Гамма-ритм — это чрезвычайно интересное свойство любой нервной ткани. Например, если вы возьмёте нервную ткань, не повредив её внутреннюю структуру, и поместите в чашку Петри, обеспечив ей условия для жизнедеятельности, то обнаружите, что эта ткань будет выдавать синусоиду своих совокупных дендритных потенциалов.

[КШ] И это никак не связано с тем, что у нас в мозге: с мыслями, ощущениями?

[ТС] Не связано ни с мыслями, ни с чувствами. Гамма-ритм присущ самой нервной ткани, это ритм структуры в целом. Любая нервная ткань состоит из возбуждающих и тормозных нейронов. Возбуждающий нейрон, когда он возбуждён, возбуждает одновременно и тормозный нейрон. А тормозный нейрон за счёт обратной связи тормозит возбуждающий нейрон.

[КШ] Работает система обратной связи.

[ТС] Ну конечно. Эта система будет генерировать, естественно, синусоиду. И уже удалось выяснить, что основную роль в нервной системе и в генерации гамма-ритма играют именно тормозные нейроны.

Если нейронная популяция под воздействием какого-то возбуждения (сигнала) вступила в режим генерации гамма-ритма, то на верхушке этого гамма возникает синхронизация между всеми нейронами популяции. В итоге начинают синхронизироваться и выдаваемые популяцией сигналы — на какую-то другую группу нейронов.

Если есть какое-то длительное возбуждение, то оно сначала раскладывается по разным группам нейронов. Но потом-то его нужно собрать, и гамма-ритм помогает им это сделать.

[КШ] Так это суперполезная вещь — гамма-ритм! Но при чём тут аутисты?

[ТС] Гамма-ритм — действительно суперполезная вещь, если он возникает, когда нейроны начинают информацию «собирать», и, соответственно, не возникает, когда они не работают. А теперь предположим некое нарушение торможения. Если оно сильное, то никакого ритма вообще не будет. А если торможение слабее возбуждения, то гамма-ритм будет спонтанно возникать, причём тогда, когда его не должно быть.

В 2003 году была выдвинута чрезвычайно влиятельная гипотеза, безотносительно к гамма-ритмам, что аутизм — это нарушение баланса возбуждения и торможения в системе в том случае, если оно возникает ещё до рождения ребёнка. Если это возникает в мозге новорождённого, где только начали формироваться синаптические связи между нейронами, это очень плохо.

[КШ] Эти связи формируются неправильно?

[ТС] В норме у новорождённого возникает период синаптической сверхпродукции: 15 млн синаптических связей формируются каждый день. Гонка, гонка, гонка... Но одновременно с этим начинается процесс их «обрезки» — в результате взаимодействия ребёнка с внешним миром. Если связь не работает, она будет обрезана. А если работает и часто что-то проводит, то будет укреплена.

[КШ] Получается, что процесс обучения сводится к укреплению определённых связей?

[ТС] Да, избранных, которые соответствуют той среде, в которую попал ребёнок. А если бы он попал в другую среду, то избранными, как и обрезанными, были бы другие связи. Это в нормальной ситуации. А теперь дадим «дармовое», спонтанное возбуждение в такую систему — тогда связи в такой системе будут формироваться совершенно случайно, и в большом количестве. Это ресурсное проклятие... Потому что если не будет ничего обрезаться, то не будет идти процесс обучения.

[КШ] Что происходит в процессе возбуждения и торможения на уровне нейронов?

[ТC] Основную роль в этих процессах играют возбуждающие и тормозные нейромедиаторы, а также рецепторы к этим медиаторам. Итак, нервный импульс бежит по волокну, как и любой ток. Волокно кончается, а дальше происходит химическое взаимодействие.

Нейромедиаторы — это совершенно определённые молекулы, которые под действием изменённого мембранного потенциала на кончике аксона выбрасываются в межклеточное пространство. И действуют они на совершенно определённые молекулы-рецепторы, встроенные в мембрану нейрона-приёмника. Когда нейромедиаторы соединяются с рецепторами, изменяется химическая структура рецептора, который сидит на ионном канале. Ионный канал открывается, трансмембранный потенциал нейрона-мишени изменяется, и по нему начинает идти ток. И за всеми этими молекулярными процессами стоят разнообразные генетические механизмы.

Работа с использование МЭГ показывает, что практически у всех аутистов баланс возбуждения-торможения нарушен, их мозг перевозбуждён. И этот сдвиг баланса возбуждения-торможения может быть связан с самыми разными нарушениями молекулярных процессов. У тебя есть взаимодействие тормозных и возбуждающих клеток, при этом каждая из них должна и возбуждаться, и тормозиться. Однако ты не можешь на эту систему действовать просто возбуждающими или тормозными препаратами, поскольку не знаешь, в каком именно месте кроется нарушение.

Мы подходим к критической точке нашего рассказа. Примерно тогда же, когда мы показали избыток спонтанной активности гамма-ритма у детей с аутизмом, в оптогенетических исследованиях было показано, что то же самое возникает в мозге крыс, когда у них химическим путём сдвигается баланс торможения-возбуждения. Вот почему наша работа 2006 году вызвала такой сильный интерес.

[КШ] Это тот самый индуцированный аутизм у животных?

[ТС] Да. Это совершенно фантастическая комбинация успехов генетики и нейрофизиологии в одном флаконе. Оптогенетики додумались сделать генетически модифицированное животное, у которого в мембрану нервных клеток вшиты родопсиновые каналы (родопсин — это вещество, определяющее реакцию на свет глазной сетчатки. — «КШ»). Так они получили возможность возбуждать светом только определённую небольшую зону мозга. И обнаружили, что, если таким образом изменять активность цингулярной коры мозга у крысы, она начинает вести себя как аутист. И одновременно в её мозге начинает генерироваться спонтанная гамма-активность. А когда выключаешь свет, генерация прекращается и крыса возвращается в нормальное состояние.

[КШ] Но если удалось выяснить, что аутизм стопроцентно сопровождается спонтанным гамма-ритмом, его теперь можно диагностировать?

[ТС] Хорошо бы... Но мы очень плохо умеем регистрировать спонтанные гамма-ритмы и с помощью ЭЭГ, и даже с помощью МЭГ — из-за шумов, вызванных сокращениями мышц. И мы так и не знаем, чем именно вызвано нарушение баланса возбуждения-торможения в каждом конкретном случае. Что именно повреждено.

На самом деле мы должны стремиться к биомаркерам молекулярных процессов. Если есть нарушение какого-то конкретного рецептора на каком-то конкретном типе клеток, то это оказывает влияние на какой-то измеряемый нейрофизиологический процесс. И я стала искать, какой здесь должен быть биомаркер. И мне, может быть, рановато обо всём этом говорить, но, кажется, мы всё-таки кое-что интересное нашли.

Идея взялась из тех же самых животных работ. Вы, наверное, уже поняли, что все идеи берутся оттуда.

[КШ] Потому что там можно непосредственно влезть...

[ТС] Да, влезть в мозги. И если у тебя есть какая-то гипотеза, то, не приступая к исследованиям на человеке, ты можешь на животных посмотреть, в правильном направлении ты думаешь или нет. За последние пять лет в работах животных нейрофизиологов было показано, что частота гамма-ритма зависит только от возбудимости тормозных клеток. И если постепенно добавлять в систему возбуждение, то чем оно выше, тем выше частота гамма-ритма.

Итак, у меня есть МЭГ, который на порядок чувствительнее ЭЭГ и позволяет уверенно регистрировать гамма-ритмы. И если я найду такую экспериментальную нагрузку, которая будет пропорционально увеличивать частоту ритма, и увижу, что у аутистов частота гамма-ритма не меняется или меняется плохо, то я смогу сказать: вот, это та часть детей с аутизмом, у которых недостаточно возбуждаются тормозные клетки.

К этому времени уже было показано, что частота зрительного гамма-ритма является устойчивой индивидуальной чертой, на 98% генетически детерминированной. Чем не биомаркер? Одна только неувязка: предыдущие авторы меняли параметры зрительной стимуляции, а частота гамма-ритма не менялась — в отличие от экспериментов на животных! Возможно, это было обусловлено низкой чувствительностью измерений на поверхности (ведь у животных вживлённые электроды).

И тогда я стала искать в результатах экспериментов на животных, существует ли такая нагрузка, которая очень заметно изменяет частоту — на 20, на 30 Гц? И да, в одной работе 97-го года было обнаружено, что частота гамма-ритма у котов значительно увеличивается при увеличении скорости движения зрительного стимула (мыши).

Мы решили не терять времени и запустили работу с двумя выборками детей, здоровых и аутистов, от 7 до 15 лет. И мы обнаружили, что здоровые детки, как и коты, повышают частоту гамма-ритма примерно на 30 Гц при увеличении скорости движения зрительного стимула. А вот дети-аутисты меняют частоту примерно вдвое меньше. А что, если диапазон изменений частоты гамма-ритма при увеличении скорости движения — тот самый биомаркер силы возбуждения тормозных нейронов?

[КШ] Он позволяет диагностировать аутиста с патологией возбуждающих рецепторов на тормозных нейронах?

[ТС] Да. Сейчас начались работы на животных, у которых искусственно вызывают именно эту патологию, а потом разными препаратами пытаются нормализовать. И я надеюсь, что нам удастся объединить усилия.

Представьте, две команды роют туннели с двух разных концов горы, и они должны сомкнуться. С одной стороны работы оптогенетиков и нейрофизиологов на животных моделях аутизма, которые при наличии известной патологии успешно её ликвидируют. С другой — работы по поиску биомаркеров конкретных нарушений молекулярных процессов у человека. Это то, что можем сделать мы. И если мы окажемся на должном уровне, туннели сойдутся.

Конечно, нам нужны более надёжные доказательства того, что низкая частота гамма-ритма — это биомаркер патологии возбуждения тормозных нейронов. Например, есть болезнь, которая повреждает эти возбуждающие рецепторы на тормозных клетках, — особая форма энцефалита. Если я найду таких пациентов в Москве, я смогу посмотреть, как работает наша парадигма на них. Мне также надо прийти к животным нейрофизиологам и попросить их вывести генетическую линию мышей, у которых аналогичная патология. И давайте посмотрим, что там у мышей происходит с частотой гамма-ритма. Я могу предсказать ожидаемый результат, но совпадёт ли он с реальностью?

Я пытаюсь рыть туннель с той стороны, где твёрдая порода. Но это нужно, это действительно нужно. По-моему, каждый учёный к концу своего научного пути хочет сделать что-то такое...

[КШ] Пробить свой собственный туннель.

[ТC] Ну, для человечества... Хочется спасти мир. Всю свою жизнь ты занимался наукой в своё удовольствие. Я много видела подобных историй.

 

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №1-2 (15-16) за январь-

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: