Взрыв мозга

Как ядерные испытания сделали всех людей участниками эксперимента

"Нервные клетки не восстанавливаются!" - гласит народная мудрость. Правда, едва ли не чаще, чем саму сакраментальную сентенцию, сейчас можно услышать слова о том, что она - всего лишь миф, который наука давно опровергла. Недавно в престижном журнале Neuron вышла статья, из которой следует, что миф, судя по всему, оказался чуть более правдивым, чем нам всем бы этого хотелось.

Самое удивительное в этой истории то, что эксперимент, на основании которого исследователи сделали свой вывод, начался еще в середине прошлого века и поучаствовало в нем, само того не подозревая, все человечество.

Канарейки и отец нейробиологии

Сантьяго Рамон-и-Кахаль в своей лаборатории. Фото с сайта molbiol.ru

Невозможность деления нейронов закрепилась в науке одновременно с самим понятием о нейроне как о рабочей единице мозга - то есть, фактически, с самого начала. Сантьяго Рамон-и-Кахаль, общепризнанный основатель нейробиологии, получивший вместе с Гольджи Нобелевскую премию по медицине в 1906 году, так писал о развитии нервных клеток: "По завершению [эмбрионального] развития источники роста пересыхают безвозвратно. Нервные пути у взрослых неизменны. Все может быть разрушено, но ничто не подлежит восстановлению".

Эти слова великого физиолога, конечно, сильно повлияли не только на массовую культуру, но и на коллег по цеху. Даже спустя более полувека после работ Кахаля научное сообщество по-прежнему считало невозможность образования новых нейронов доказанным фактом.

Может быть, из-за этого, а может быть, из-за недостаточной убедительности проведенных им экспериментов, но работы первого исследователя, усомнившегося в этой доктрине, - Йозефа Альтмана из Массачусетского технологического института, научное сообщество совершенно проигнорировало. Еще в 1960-х годах он приводил свидетельства существования нейрогенеза у взрослых крыс, морских свинок и кошек. Однако тогда они никого не убедили, над Альтманом смеялись. Настоящая революция случилась гораздо позже и потребовала гораздо более "осязаемых" доказательств.

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

В середине 80-х сотрудник Рокфеллеровского университета Фернандо Ноттебом обратился к необычному модельному организму - канарейкам. Он обратил внимание на то, что у взрослых самцов канареек размер мозга меняется в зависимости от времени года. В сезон размножения, когда самцы заливаются брачными песнями, их мозг буквально "раздувается", стремясь справиться со сложной интеллектуальной задачей по разучиванию мелодий. По завершении сезона музыкально развитый мозг становится ненужным и уменьшается до следующей весны. Это было первое неопровержимое свидетельство нейрогенеза у взрослых позвоночных животных.

Работа Ноттебома подстегнула новые исследования, которые в целом подтверждали его наблюдения. Почти сразу ученые перешли на любимые модельные объекты: мышей и крыс. Оказалось, что и у грызунов во взрослом возрасте нейроны образуются в существенном количестве, причем этот процесс весьма сложно скоординирован. Нервные стволовые клетки, образующиеся на поверхности желудочков мозга, мигрируют к обонятельным луковицам, где превращаются либо во вспомогательные клетки глии (преимущественно астроциты), либо в нейроны. Эта миграция происходит только в одном направлении: от места образования нейробластов к месту созревания клеток.

Подобные же результаты были получены и на обезьянах. Правда в их случае уровень образования новых клеток был существенно ниже, а миграция и созревание клеток у макак занимали долгие шесть месяцев.

Сразу же оказалось, что образование новых клеток у взрослых животных несравнимо по масштабу с нейрогенезом в эмбриональном и раннем индивидуальном развитии.

Сотни работ были посвящены тому, как можно увеличить скорость нейрогенеза. Было показано, что более разнообразное окружение, стимулирующее мозговую деятельность, стимулирует и образование новых нейронов. Бег и физические нагрузки также способствовали этому процессу. Более того, неожиданный стимулирующий эффект был обнаружен у антидепрессанта Прозака, что резко подстегнуло как интерес фармкомпаний, так и уровень ожиданий публики. Досадной неприятностью оставалось лишь одно: все эти эксперименты проводились на модельных животных, и ни один из выводов не был подтвержден на человеке - никто просто не понимал, как вообще это можно осуществить.

Pulse chase

Виноделы и криминалисты

Анализ содержания "бомбового углерода", который Спелдинг удалось применить для определения возраста ДНК, впервые осуществили криминалисты Уальд и Кучера из университета Вены. Они использовали анализ изотопов в зубной эмали, чтобы помочь следователям раскрыть странную смерть двух сестер, найденных мертвыми в собственном доме в венском предместье. Женщины умерли за несколько лет до того, как полицейские обнаружили их мумифицированные трупы, и страховые компании пытались выяснить, кто из родственниц умер первой, чтобы получить их пенсионные накопления. Анализ, который провели Уайлд и Кучера, показал, что одна из женщин умерла в 1988, а другая - лишь в 1989 году. Все это время она жила рядом со своей погибшей сестрой.
После работ Спелдинг метод приобрел широкую известность, и стал применяться в самых различных областях. Несколько лет назад австралийские ученые по заказу местной ассоциации производителей вина разработали технологию определения винтажа на основе анализа содержания углерода-14. Позднее за виноделами последовали и производители виски.

Модельные животные для того и существуют, чтобы можно было провести эксперимент, который невозможно повторить на людях. Первые эксперименты по нейрогенезу, которые проводились на мышах и обезьянах, подразумевали скармливание животным радиоактивных веществ, которые потом можно было увидеть на тонких срезах мозга.

Этот вид радиоактивного мечения, который на заре молекулярной биологии помогал узнавать тайны работы ДНК, ученые называют "pulse chase" (приблизительно "импульсное мечение"). Он предполагает добавление в среду, в корм или кровь подопытному организму на очень короткое время радиоактивного изотопа, а затем замену его большим количеством нормального изотопа. В результате радиоактивная метка встраивается только в те вещества, которые синтезировались именно во время "пульса".

Например, если ввести в организм радиоактивные нуклеотиды, являющиеся кирпичиками ДНК, то они пометят только ту нуклеиновую кислоту, которая синтезировалась во время добавления изотопа. В мозговой ткани метка встроится только в те клетки, в которых синтезировалась ДНК во время пульса, а значит, можно будет непосредственно увидеть, где и как образуются делящиеся предшественники нейронов. Вообще говоря, метка не обязана быть радиоактивной, она просто должна как-то отличаться от других веществ, чтобы быть заметной на препаратах.

В 1998 году Фред Гейдж из института Салка понял, что препарат, который дают некоторым онкологическим больным - бромдезоксиуридин (BrdU), может быть как раз таким маркером. Этот модифицированный нуклеотид должен был уменьшать рост опухолей, но, будучи нуклеотидом, встраивался и в синтезирующуюся ДНК клеток мозга. Судя по тем препаратам пяти пациентов, которые проанализировал Гейдж, нейрогенез действительно имел место и у человека. Но с BrdU было много проблем: во-первых, он был очень токсичен, а во-вторых, мог сам стимулировать синтез ДНК, что мешало понять, на самом ли деле происходит синтез, или это артефакт метода.

Принудительный эксперимент

Но как узнать, происходит ли деление клеток и синтез ДНК в мозге человека, если нельзя ввести в молекулу метку? И как ввести метку, если для этого невозможно использовать добровольцев?

Парадоксальным образом оказалось, что на самом деле добровольцы не нужны: все человечество с середины прошлого века уже участвует в масштабном эксперименте, само того не подозревая.

Кирсти Спелдинг (Kirsty Spalding) в лаборатории в Каролинском институте, первопроходец метода "bomb chase". Фото Science/Stefan Zimmerman

Все помнят впечатляющие фотографии ядерных взрывов и знают о последствиях выброса радиоактивных изотопов. Не всем известно, какую пользу можно из этого извлечь. Оказывается, что начиная с Манхеттенского проекта и до запрета открытых испытаний в 1963 году в атмосферу было выброшено огромное количество изотопа углерод-14. Это безопасный изотоп, который обычно образуется в результате облучения космической радиацией атмосферного азота. Его концентрация была постоянна в окружающей среде до начала ядерных испытаний. Именно его содержание является основой метода радиоуглеродной датировки - умирая, организмы перестают поглощать атмосферный углерод-14, который постепенно распадается в останках. Зная степень распада изотопа, можно определить с точностью до пары сотен лет время, когда последний раз дышал исследуемый организм.

Оказывается, что выброс в атмосферу большого количества углерода-14 в результате ядерных испытаний позволяет сделать датировку на порядки точнее. Концентрация углерода-14 постоянно снижалась в атмосфере начиная с 1963 года, причем практически равномерно по всей планете. Узнав концентрацию изотопа в любой органической молекуле, можно определить ее возраст, а зная возраст ДНК, можно определить возраст любой клетки.

Придумать и осуществить этот эксперимент смогла молодая австралийка Кирсти Спелдинг, работавшая в начале двухтысячных в Каролинском институте в Стокгольме. Она определяла возраст лошадей по образцам их мозга. Ей удалось добиться потрясающей точности - с помощью разработанного метода можно установить возраст любой ткани с точностью до года.

С тех пор как Спелдинг разработала этот уникальный метод, она систематически занималась установлением времени регенерации разных тканей. Попутно Кирсти сильно обогатила своим методом арсенал криминалистов и даже основала небольшую компанию, определяющую возраст человека по изотопному составу эмали зубов.

Но самое главное, что удалось установить Спелдинг, - это что во взрослом мозге, по крайней мере в тех областях, которые она изучала, совершенно не наблюдается никакого деления клеток. Все нейроны мозга имеют тот же возраст, что и сам человек.

Определение времени синтеза ДНК (горизонтальная ось) по содержанию углерода-14 (вертикальная). На графике виден пик, соответствующий ядерным испытаниям. Изображение из статьи Bergmann et al.

В последней работе на эту тему в журнале Neuron, про которую уже шла речь, авторы изучали синтез ДНК в нейронах обонятельных луковиц. Это - та самая область мозга, куда нейрональные стволовые клетки у грызунов мигрируют наиболее активно. Ученые показали, что почти все нейроны обонятельных луковиц человека - старые, они образуются только во время эмбрионального развития.

Отсутствие молодых нейронов там, где их так надеялись найти ученые, становится очень сильным аргументом против возможности регенерации.

Получается, что Рамон-и-Кахаль был прав и деградация мозга с возрастом неизбежна? Не совсем так.

Да, надеяться на то, что поврежденные и погибшие во время инсульта или в результате болезни Альцгеймера нейроны со временем восстановятся в результате тренировок и физической активности, не приходится. По крайней мере, научных доказательств такой возможности на данный момент практически нет.

С другой стороны, человечество не обязано рассчитывать исключительно на естественные механизмы регенерации. Работы по выращиванию стволовых клеток in vitro говорят о том, что они вполне могут созревать, специализироваться и становиться полноценными нейронами. Пока эти исследования еще очень далеки от практического применения, и очень мало известно о побочных эффектах. Практический вывод из этого возможен только один: исследования нужно продолжать.

Александр Ершов

Взрыв мозга

Канарейки и отец нейробиологии

Pulse chase

Принудительный эксперимент

Ссылки по теме

Сайты по теме

Lenta.ru: Прогресс: Взрыв мозга