Сотрудник Института цитологии и генетики СО РАН биолог Татьяна Шнайдер показала лабораторию, где она выращивает мини-мозги, и рассказала, как с их помощью борются с пандемией вируса Зика и исследуют различные генетические заболевания, а также, как ученые вырастили мини-мозги неандертальца, чтобы узнать, что сделало человеческий мозг таким умным и извилистым.
Эта статья представляет собой расшифровку 20-минутного фильма. Если же вы любите смотреть больше, чем читать – вот само видео:
Фильм подготовлен в рамках нового проекта от команды «GetAClass» – «Просто наука». В первом сезоне школьники получают возможность заглянуть в уникальные лаборатории и на производства и поговорить с учеными и инженерами, которые уже сегодня работают с технологиями будущего.
Ведущий: Иван Маслов, ученик 10 класса Специализированного учебно-научного центр Новосибирского государственного университета (ранее назывался Физико-математической школой имени М. А. Лаврентьева)
Герой: Татьяна Шнайдер, биолог, сотрудник Института цитологии и генетики СО РАН
Как вы начали заниматься наукой? [Прим.: жирным мы выделяем вопросы Ивана]
В какой-то момент в школе я просто очень сильно полюбила биологию. Была увлечённость и любовь к этому предмету, желание узнать, прежде всего, про себя как про человека (всё-таки мы тоже замечательный вид) чуть-чуть больше, понимать, что с тобой происходит, почему так происходит.
Вы изучаете мозг – как он вас увлёк? Почему именно он?
Изначально я пришла в лабораторию, которая занималась изучением стволовых клеток. Стволовые клетки прекрасны тем, что из них на самом деле можно вырастить практически всё что угодно. Я стала заниматься изучением достаточно важной проблемы, которая связана с нарушением умственного развития у человека. В лаборатории мы как раз изучаем именно генетические факторы, которые могут приводить к таким серьёзным последствиям.
Выращивание мини-мозгов – это возможность заглянуть в события, которые никогда раньше ни одному исследователю не были доступны. Мы заглядываем в ранние этапы развития мозга человека при помощи наших вот таких мини-шариков – мини-мозгов.
Получается, вы берете человеческую кожу, помещаете её в пробирку и выращиваете мозги. Это вообще как?
Когда-то очень давно мы (каждый из нас: и вы, и я) решили эту проблему абсолютно, крайне, я бы сказала, элегантно: примерно на стадии семи дней от момента оплодотворения мы с вами выглядели, как шарик с полостью. У нас была полость, и это действительно прекрасно. В этой полости важна небольшая группа клеток – они являются по-настоящему всемогущими. Из них мы с вами смогли нарастить абсолютно все органы. Каждая эмбриональная (стволовая) клетка начала делиться и специализироваться, то есть приобретать свою клеточную профессию в нашем организме, например, становясь клеткой желудка, клеткой головного мозга. Все эти клетки когда-то произошли из этой маленькой группки самых всемогущих!
К сожалению, во взрослом организме таких клеток у нас нет – мы все их потратили, когда строили себя целиком. В теперь уже далёком 2006-м году исследователи преодолели эту проблему.
Синеи Монако абсолютно заслуженно получил свою Нобелевскую премию. Он, по сути, просто предложил способ, при помощи которого можно «откатить настройки» клеток взрослого организма до состояния, когда они были эмбриональными (стволовыми). То есть представьте себе, что это настоящее путешествие во времени: не для целого, правда, человека, но для отдельной клетки это возможно.
И это означает, что сейчас мы в лабораторных условиях при помощи таких достаточно хитрых манипуляций можем для каждого человека из любого кусочка его тела (из кожи просто удобнее) получить уникальный ресурс, из которого для абсолютно любого человека потенциально в будущем мы можем вырастить абсолютно любой орган.
Получается, есть какие-то методы по изменению клеток?
Безусловно. Технология, о которой как раз мы говорим, - это так называемая технология репрограммирования генома – заключается в том, что мы действительно, по сути, меняем программу работы клетки. Клетки научились довольно прицельно включать, то есть активизировать работу одних генов и, наоборот, подавлять работу других.
Для чего это нужно?
В каждом типе клеток работает разный набор этих генов. Важно просто научиться каким-то образом включать или выключать нужные гены. Технология репрограммирования генома заключается именно в этом. По сути, при помощи специальных (назовём их загадочным словом) факторов мы можем управлять работой генов. Мы доставляем эти факторы в ядро, и там уже они начинают активно работать. Они запускают программу работы клеток, например, эмбриональных стволовых, потому что мы используем факторы именно такие: эмбриональных стволовых клеток. Ну а дальше уже накопленные за десятки лет знания того, как происходит развитие, например, какого-то отдельного органа, мы довольно неплохо понимаем, какие, например, молекулы должны действовать в определённый период времени на какую клетку, и так далее. И, в принципе, в лабораторных условиях можно более-менее воспроизвести эти условия. То есть, по сути, это такая игра с работой генов и, самое главное, это стимуляция, то есть подача сигналов извне на то, чтобы клетка превращалась, например, в клетку головного мозга. То есть это общение на языке химических молекул.
То есть мы, получается, берём клетки кожи, репрограммируем их и выращиваем из них маленькую версию мозга?
Да.
А чем он отличается от нашего с вами мозга?
Он сильно проще устроен. Во-первых, у нас с вами головной мозг достаточно большой, он у нас с вами очень умный и на самом деле очень красивый. Если посмотреть, как он устроен внутри, мне кажется, это потрясающая красота. Во-вторых, у нас с вами присутствует много разных отделов. Чаще всего мини-мозг представляет собой какой-то один отдел головного мозга. Конкретно мы выращиваем в лаборатории мини-кору. И, пожалуй, ещё одно очень важное отличие – к сожалению, в мини-мозгах пока ещё спонтанно, то есть сами по себе, не выращиваются сосуды. Поскольку сосудов в наших мини-версиях нет, их рост ограничен, они воспроизводят примерно первые три месяца эмбрионального развития головного мозга человека.
Мы выращиваем маленький мозг, а как он может помочь, при изучении чего?
Мы смотрим раннее развитие головного мозга человека. Появилась возможность изучать нормальный процесс нейрогенеза, то есть развития головного мозга человека.
Также большая доля исследований посвящена изучению различных патологий. Очень много людей (их процент действительно большой) страдает разной формой нарушений умственного развития, и причин на самых ранних этапах развития головного мозга может быть огромное количество, начиная, например, от каких-нибудь инфекционных заболеваний – например, есть вирусы, которые вызывают, нарушение умственного развития и в целом нарушение развития головного мозга. Важно понять, как они работают, какие клетки они поражают, и, соответственно, разработать лекарственные препараты, которые бы этому препятствовали – мне кажется, это очень актуальная проблема.
С другой стороны, есть очень много химических соединений, употребление которых будущей мамой может крайне негативным образом влиять на развитие головного мозга эмбриончика (человека).
Мини-мозги как модель позволяют тестировать различные лекарственные препараты, потому что во время беременности не все лекарственные препараты можно принимать. Соответственно, если мы будем знать наверняка, что, да, действительно, этот препарат показал в таких-то исследованиях на мини-мозгах, что есть какой-то негативный эффект, мы можем с уверенностью говорить о том, что беременным женщинам он противопоказан.
Ну и, пожалуй, мне кажется, самая главная доля исследований, которая в настоящий момент ведётся, - это, конечно, изучение различных генетических причин самых разных заболеваний.
А какой конкретно ген вы берёте и как его изменяете?
Мы работаем с геном, который называется Контактин-6. Именно на модели мини-мозгов удалось обнаружить важные нарушения, которые появляются при наличии мутации в этом гене, непосредственно в клетках, из которых строится мини-мозг.
Ну, это просто невероятно, что в лабораторных условиях можно проводить такие важные исследования!
Да.
А мы можем пройти в лабораторию и посмотреть на мини мозги сами?
Конечно! Мы даже их чуть-чуть потрогаем.
[Прим.: Если дальше вы хотите посмотреть видео, а не читать пересказ, мы поймем. По ссылке видео начинается с момента, как Иван и Татьяна приходят в лабораторию].
Татьяна: Мы находимся с вами в основной комнате, где мы работаем с живыми мини-мозгами. В частности, прямо за вами стоит замечательный их «домик» - это CO2-инкубатор, здесь они и живут. Прямо за мной стоит ламинарный шкаф:
здесь мы совершаем различные манипуляции с нашими мини-мозгами, например, подкармливаем их вкусняшками, и, кроме того, мы должны каждый день наблюдать за тем, как они выглядят - для этого мы используем микроскоп.
А мы можем посмотреть на мини-мозги?
Да, конечно! Они у нас находятся в своём «домике». Мы сейчас аккуратненько достанем одну чашечку. Вот, держите. Это, собственно, они. Вы даже можете увидеть их глазом, без специального оборудования.
А как вообще проходит ваш день в лаборатории? Вот вы приходите в неё, и что дальше?
Первым делом, я смотрю, как они провели ночь, и вообще в целом оцениваю их состояние – насколько хорошо они себя чувствуют. Или плохо. И уже дальше, после просмотра под микроскопом, я начинаю о них заботиться: меняю среду, подкармливаю и обязательно их ставлю на шейкер, где они болтаются и веселятся всё своё оставшееся время.
А мы можем с вами что-нибудь поделать?
Да, конечно!
Чем мы сейчас будем заниматься?
Только что вы смотрели на мини-мозги под микроскопом. Наверное, успели заметить, что они никак не раскрашены, да? Они просто серенького цвета. Так вот, сейчас мы с вами будем заниматься достаточно сложным процессом, чтобы раскрасить мини-мозги в нужные нам цвета, посмотреть нужные нам элементы, нужные нам клетки.
Конечно, мы не успеем с вами проследить весь процесс, но сделать важный этап, а именно отмыть мини-мозги в специальном растворе, мы сейчас с вами самостоятельно можем попробовать сделать.
У нас есть специальный подготовленный раствор, есть пипетка, есть специальные носики для пипетки (наконечники) и, собственно, сами образцы. Я думаю, что вы их невооружённым глазом тоже можете увидеть. Наша задача – сменить этот объём растворчика на свежий.
Берём пипетку, используем наши носики и меняем раствор. Когда мы закончим со всеми нашими образцами, мы поставим их на шейкер, но уже в обычный инкубатор, где у нас держится температура 37 градусов.
А что ещё делают с мини-мозгами в мире?
Как я уже сказала, прежде всего, их используют для изучения самых разных патологий. Например, на них изучают вирусные инфекции, которые могут приводить к нарушениям умственного развития. Наверное, одна из самых известных таких историй – это история с вирусом Зика. В 2014-м, по-моему, году случилась пандемия этого вируса в Южной Америке. Там участились случаи рождения детей с микроцефалией. Причина – вирус, который на самом деле крайне коварен. Для взрослого человека он, по сути, не представляет никакой опасности, но если таким вирусом заразится беременная женщина, то, к сожалению, её ребёнок может родиться с микроцефалией.
Благодаря мини-мозгам удалось, во-первых, смоделировать эту патологию, то есть при заражении мини-мозгов вирусом Зика удалось показать, что размеры таких мини-мозгов сильно отличаются от обычных мини-мозгов. И, более того, удалось даже обнаружить несколько потенциальных лекарственных препаратов, которые показывали, что, если их применять на тех мини-мозгах, которые были заражены вирусом Зика, то они возвращаются к своему нормальному состоянию. Соответственно, мы можем говорить, что благодаря мини-мозгам в скором будущем, может быть, будут разработаны эффективные лекарственные препараты, в том числе для такого достаточно серьёзного инфекционного заболевания.
Помимо инфекционных и генетических заболеваний, есть довольно необычные, неординарные, я бы сказала, работы, которые посвящены изучению одного из самых интересных вопросов: что же сделало нас людьми, то есть что сделало наш мозг таким умным, красивым и таким извилистым. Например, буквально несколько месяцев назад вышла замечательная, прекрасная работа – в ней получали неандертальские мини-мозги и сравнивали, какие же отличия есть у неандертальцев, а конкретно - у неандертальских мини-мозгов. Работа определённых генов у неандертальских мини-мозгов очень сильно отличается от человеческих, и, наверное, это может объяснять отличия, которые у нас с ними есть в головном мозге и интеллектуальных способностях.
Какие улучшения ждут технологию выращивания мозгов в ближайшее время?
Я думаю, что одно из главных направлений, на котором сейчас сконцентрированы усилия, - научиться выращивать сосуды, потому что это очень важное ограничение, которое не позволяет нам продвинуться подальше. Второе важное направление – попытаться вырастить одновременно несколько разных отделов. Наверное, я сразу немножечко предупрежу ваш вопрос насчёт того, научимся ли мы когда-нибудь выращивать целые мозги.
Как мне кажется, для выращивания целого мозга мы будем не готовы ещё лет пятьдесят-сто. И для меня лично вопрос: для чего нам выращивать целый головной мозг?
Это повлечёт за собой кучу абсолютно других проблем, прежде всего, связанных с разными этическими вопросами: как мы должны будем относиться к этому органу, будет ли у него какой-то статус, будут ли у него какие-то права – и здесь на самом деле возникает очень много принципиально важных вопросов, которые, конечно, тоже должны быть решены.
Из стволовых клеток мы можем вырастить любой орган человека, а мы можем вырастить то, чего у человека нет?
Хороший вопрос. На самом деле можно пофантазировать, но какие-то нововведения в организме могут оказать негативное действие на сам этот организм, поэтому я думаю, что здесь нужно быть осторожным.
Итак, а теперь блиц-опрос. Я буду коротко задавать часто возникающие вопросы, а вы будете на них отвечать.
Хорошо.
Если научить искусственные мозги думать, они захватят мир?
Думаю, что нет.
Если мы научимся выращивать все органы искусственно, то можно ли будет создать человека с нуля?
На самом деле, многие органы, в частности, тот же самый головной мозг, всё-таки крайне сложно выращивать. В перспективе я думаю, что это, скорее, будут заплатки или замены отдельных органов, но собрать целиком с нуля просто из отдельных запчастей – наверное, это будет сложно.
К чему приведёт замена отдельных повреждённых участков мозга искусственными аналогами?
Это очень интересный и достаточно сложный вопрос, поскольку воспоминания, как и эмоциональные переживания, включают в себя активность огромного количества нейронов. Речь идёт не о тысячах, а о миллионах нейронов, и в данный момент удаление пусть даже небольшого кусочка может повлечь за собой утрату какого-то, например, воспоминания. Поэтому я думаю, что пока это звучит как нечто далёкое от нас.
А до какого момента можно улучшать технологию создания искусственных мозгов, чтобы ставить на них эксперименты было этично?
Некоторые исследователи уже сейчас поднимают эту тему и есть, например, противники, которые считают, что мы немножко уже перешагнули какую-то грань, но так пока считают единицы. Я к этому числу не принадлежу. Мне кажется, что пока к этому стоит и правильно относиться как к небольшому кусочку ткани. Это не нечто мыслящее, не переживающее как-то эмоционально. Это всё-таки маленький кусочек ткани.
Иван: Понятно. Спасибо большое за увлекательную беседу, мне было очень интересно!
Татьяна: Ваня, это очень взаимно!
О создателях фильма «Мозги из пробирки: как и зачем ученые выращивают мини-мозги»:
GetAClass – популярный русскоязычный YouTube-канал о физике в экспериментах, который с 2013 года снимает команда из Новосибирского Академгородка. Разрабатывают сценарии роликов и выступают в роли ведущих – физики Андрей Щетников и Алексей Колчин. GetAClass публикует новый ролик каждый четверг.
Фильмы GetAClass трижды побеждали в конкурсе «Снимай науку!» телеканал «Наука». В 2020 году видеоролик GetAClass про воздушно-сыпучую смесь «Всплеск песка» занял третье место в номинации «Любительское видео». В 2019 году проект занял третье место в номинации «Эксперимент» с видеороликом «Закон Гука и сила упругости», а в 2017 – первое место с видеороликом «Центробежная сила и огненный торнадо».