Всемирный разум

Потому что это действительно было самым важным из всего, что они когда-либо видели. Они наблюдали собственными глазами, как направленный луч света с большой точностью управлял активностью головного мозга. И мышь при этом не утратила памяти, не получила апоплексический удар и не погибла. Она просто бегала по кругу. Но, что в данном случае принципиально, она описывала круги против часовой стрелки . Заданная точность происходящего – вот что было важнее всего. Лекарственные препараты и вживленные в мозг электроды могут что-то в нем изменить, но их воздействие весьма далеко от точного прицела. Химические препараты, попадая в мозг, влияют на многие типы нервных клеток, действуя практически без разбора. Имплантированные электроды передают возбуждение всем нейронам, находящимся поблизости, – независимо от того, интересует экспериментатора определенная нервная клетка или нет. Даже при использовании нанопроводов, применяемых Родольфо Линасом, происходит примерно то же.

И это – большой минус для исследователя, поскольку каждый квадратный миллиметр мозга содержит нервные клетки различных типов, специализирующиеся на выполнении разных задач [114] . Это означает, что химические вещества и электрический ток вызывают нежелательные каскадные реакции возбуждения нейронов. Побочные эффекты, иначе говоря. Все равно, что чинить автомобильный мотор, обрушивая на него охапку молотков.

Это очень плохо также и для пациентов. Кохлеарные импланты позволяют глухим слышать, передавая активирующие импульсы слуховым нервам. Однако звуки при этом остаются не вполне четкими, поскольку электрические сигналы выходят за пределы крохотной области, включающей те нейроны, которые только и должны приходить в возбужденное состояние. Глубоко проникающие стимуляторы, применяемые для лечения болезни Паркинсона, позволяют пациентам говорить и двигаться, однако у половины прооперированных возникают побочные эффекты [115] . В некоторых случаях они ухудшают состояние больных, вызывая дополнительные затруднения, связанные с речью или передвижением. Электрошок же эффективен при депрессии, но нередко оборачивается потерей памяти.

В 1979 году Френсис Крик (Francis Crick), один из первооткрывателей ДНК, горестно сетовал по поводу крайней ограниченности современной ему технологии. Контроль над нейронами одного типа, расположенными в строго определенном участке мозга, – вот что нам нужно, заявил он на страницах Scientific American . Спустя 30 лет именно этого и добились студенты, о которых я вам рассказываю.

Но почему этот прорыв был совершен с помощью светового луча? В норме нейроны не должны отвечать на световое воздействие в большей мере, чем это свойственно нашей коже. (Последняя может обгорать, но это всего лишь вред частного характера.) Сама идея казалась настолько же безумной, как и мысль о том, чтобы завести автомобильный мотор от вспышки молнии. Однако нервные клетки той мышки были не совсем нормальными: в них были вставлены новые гены. Гены, фактически взятые у растений. Ведь последние реагируют на свет. Поэтому в данном случае они должны были, по замыслу экспериментаторов, заставить нейроны мыши отвечать на световое воздействие так, как свойственно растениям.

Гены – это просто инструкции, разумеется. Сами по себе они ничего не делают. Вы можете купить в IKEA стол, однако инструкция по его сборке не заставит все его части волшебным образом собраться. Однако гены «командуют» синтезом белков в клетке, а вот белки-то и определяют происходящее. Судьбоносные протеины растительного происхождения в нейронах мыши проявляли способность реагировать на свет, и его луч теперь мог приводить в возбуждение саму нервную клетку.

Мышь, которая крутится против часовой стрелки, представляет собой нечто совершенно новое: она стала предвестницей того, как могут соединиться животное, растение и технология. Студенты знали, что это предвещает торжество беспрецедентно мощных методов изменения мозговой деятельности. В первую очередь, последние можно использовать в медицинских целях (для лечения некоторых болезней), а затем для изучения взаимодействия головного мозга с телом – интерпретируя информацию, поступающую от наших органов чувств. И в конце концов, эти же методики могут содействовать слиянию человека с машиной.

А начиналось все с водорослей…

Рассказ о новой технологии следовало бы начинать с необычного творения природы – водорослей, плавающих на поверхности водоемов. В ранние 1990-е немецкий биолог Питер Хагеманн (Peter Hegemann) экспериментировал с существом, состоявшим из одной клетки, называемым хламидамонадой ( Chlamydomonas ) и представлявшим собой, если обойтись без специальной терминологии, одноклеточную водоросль. Под микроскопом она выглядела как маленький футбольный мячик с хвостом. Но стоило облучить этот организм светом, как хвост начинал бешено вращаться, продвигая водоросль вперед.

Хагеманн спросил себя: каким образом это одноклеточное, не имея ни глаз, ни мозга, способно реагировать на свет? Как оно «видит»? Что заставляет его «действовать»? В сущности, ученого интересовало, как совокупность молекул узнает о том, что творится в окружающем мире. Если формулировать предельно лаконично, как «работает» жизнь.

Ответ медленно вызревал в течение нескольких лет. Хагеманн и его коллеги обнаружили, что клеточная мембрана усеяна спиралевидными молекулами белка. Ученые предположили: как только фотон света разогревает одну из таких молекул, она распрямляется, теряя свою спиралевидность и создавая в мембране крошечное отверстие – пору. Электрозаряженные ионы следуют через последнюю, меняя электрический потенциал мембраны. Та, в свою очередь, отдает свой небольшой разряд, импульс от которого и приводит в движение хвост. И все «устройство» плывет вперед [116] .

Это было отличное исследование, посвященное клетке. А сама одноклеточная водоросль – ну что за прелесть! Однако, с точки зрения перспектив нейронауки, она – существо совершенно бесполезное, хотя и очаровательное. Какой вклад может внести в нейробиологию одно отдельно взятое одноклеточное? Но оказалось, что с некоторыми фрагментами молекулярной структуры можно обходиться как с фрагментами текста в Word’е: «копировать» у одного существа (команда «Copy») и «вставлять» в другое (команда «Paste»). Например, в 1977 году ученые вставили ДНК, отвечающую за выработку инсулина у человека, в бактерию E. coli [117] . И та немедленно принялась вырабатывать инсулин, в точности соответствующий человеческому, – и это произвело настоящую революцию в лечении диабета.

Таким образом, когда ученые находят в какой-нибудь клетке представляющий интерес структурный элемент, они пытаются встроить его в другую клетку и выяснить, что получится. В 1999 году Роджер Тсьен (Roger Tsien) [118] , биолог из университета Сан-Диего, Южная Калифорния, внимательно следил за работой Френсиса Крика, призывающего найти наилучшие способы целенаправленной передачи нейронам импульсов возбуждения. Когда Тсьен прочитал об экспериментах с хламидомонадой, он задал себе прямой вопрос: можно ли эту функцию одноклеточной водоросли (реагировать на свет) «встроить» в нервную клетку? Для решения такой задачи необходимо определить, какой ген отвечает за синтез белка, входящего в состав оболочки хламидомонады и проявляющего чувствительность к свету. Его можно было бы перенести в нервную клетку и, как надеялся Тсьен, заставить нейрон возбуждаться при облучении световыми лучами.

Само по себе это еще не великое достижение, поскольку привести нервную клетку в активное состояние можно и с помощью электрического тока. Самым волнующим было бы добиться того, чтобы встраиваемый ген обеспечивал нужную реакцию на свет со стороны лишь нейрона определенного типа. В данной связи исследователям необходим «промоутер» (promouter) – специфический фрагмент ДНК, которым можно маркировать ген для контроля над тем, используется он с заданной целью или нет.

И вот что проделали ученые. Они встроили чувствительный к свету ген в структуру вирусов и ввели некоторое количество таких вирусов в мозг, заразив один или два кубических миллиметра мозговой ткани. То есть в каждом без исключения нейроне на данном участке мозга поселился новый ген. Звучит устрашающе, поскольку обычно вирусы – вредоносные маленькие существа. В дикой природе вирусы вводят свою ДНК в пораженные ими клетки, заставляя последние производить новые порции вирусов до тех пор, пока эти клетки полностью не истощатся и не погибнут. Однако вирус можно видоизменять таким образом, чтобы он встраивал в клетку-мишень лишь небольшой фрагмент своей ДНК. Тот соединяется с клеточной ДНК, которая начинает производить только белок с определенными свойствами, а не множество новых вирусов. «Инфицирование» подобного рода не приносит вреда.

Благодаря своему «промоутеру», встраиваемый ген проявляется лишь в нейронах определенного типа, а все другие – игнорируются. Понять, в чем тут дело, поможет следующая аналогия. Вообразите, что возможность ловить мяч в игре имеют только левши. Как вы этого добьетесь? Раздадите всем без исключения игрокам лишь по левой перчатке. Правшам тогда останется стоять без дела, волнуясь и взывая о помощи. А левши будут действовать без ограничений. Точно так же, как они отмечены («tagged») наличием одной только левой перчатки и поэтому могут действовать строго определенным образом, нейрон заданного типа отмечен («tagged») тем, что в него встроен ген, который будет использоваться так, как задумано экспериментаторами. Вот они, искомые итог и награда! Теперь в одном кубическом миллиметре мозговой ткани можно стимулировать исключительно нейроны определенного типа – не затрагивая ничего вокруг. Иными словами, исследователи могут воздействовать только на те нейроны, которые, например, продуцируют допамин или ацетилхолин, или GABA (ГАБА, гамма-аминомасляная кислота. – Прим. пер. ) [119] . Контроль исключительной точности. Никаких побочных эффектов.

Тсьен знал, что эта методика будет работать. Однако совмещение генов растений с животными клетками имело дальний прицел. Смогут ли чувствительные к свету гены хламидомонады проявить свои свойства в чужой для них клеточной среде? Сможет ли молекула белка открывать и закрывать поры в мембране с той быстротой, которая нужна для мгновенного получения десятками нейронов импульса возбуждения? Если бы в то время у биологов спросили, ждет ли Тсьена успех, большинство из них, вероятно, ответили бы отрицательно.