Allan Jones: Smegenų žemėlapis

Žmonės ilgai buvo susižavėję žmogaus smegenimis. Mes braižėme jų schemas, mes jas aprašėme, mes jas piešėme, mes kūrėme jų žemėlapius. Taip pat kaip su fiziniais mūsų pasaulio žemėlapiais, jų kūrimą stipriai įtakojo technologijos -- pagalvokite apie Google Maps, apie GPS -- tas pats vyksta su smegenų žemėlapių kūrimu keičiantis technologijoms.

Tad žvilgtelėkime į smegenis. Dauguma pirmąkart pamatę tikras žmogaus smegenis sako: "Tai neatrodo kaip tai, į ką paprastai žiūrėtum, kai kas nors tau parodo smegenis." Į ką paprastai žiūrime yra stabilios smegenys. Jos pilkos. Šis išorinis sluoksnis yra neįtikėtinas kraujagyslių tinklas, dengiantis žmogaus smegenis. Tai kraujagyslės. 20 procentų deguonies, ateinančio iš jūsų plaučių, 20 procentų kraujo varomo iš jūsų širdies, aprūpina būtent šį organą. Jei laikysite abu kumščius kartu, tai smegenys yra tik šiek tiek didesnės už šiuos du kumščius.

Mokslininkai kažkur 20-tojo amžiaus pabaigoje išmoko sekti kraujo tekėjimą ir nenaudojant invazinių procedūrų kurti smegenų aktyvumo žemėlapį. Jie, pavyzdžiui, gali matyti galinę smegenų dalį, kuri pasirodo štai čia. Čia smegenėlės; jos dabar išlaiko jus vertikalioje padėtyje. Jos mane išlaiko stačią. Jos dalyvauja koordinuotame judėjime. Štai čia šone yra smilkininė žievė. Čia vyksta pirminis klausos apdorojimas, todėl jūs girdite, ką aš kalbu, jūs siunčiate tai aukštesniesiems kalbos apdorojimo centrams. Smegenų priekinėje dalyje yra vieta, kurioje vyksta visas sudėtingesnis mąstymas, sprendimų priėmimas -- ji baigia vystytis vėlyvoje pilnametystėje. Čia ta vieta, kur vyksta visi jūsų sprendimų priėmimo procesai. Joje priimate savo sprendimus šią akimirką; jūs turbūt neužsisakysite kepsnio pietums.

Tad jei giliau pažvelgsite į smegenis, vienas iš dalykų, jei pažiūrėsite į jų skerspjūvį, ką jūs matote yra tai, kad ten nematyti itin sudėtingos struktūros. Bet iš tikrųjų ten labai paini struktūra. Tai ląstelės ir neuronai, visi sujungti kartu. Tad prieš maždaug šimtą metų keletas mokslininkų išrado medžiagą, kuri nudažytų ląsteles. Ir tai rodoma čia šviesiai mėlyna spalva. Jūs matote vietas, kur nudažomos neuronų ląstelės. Ir jūs matote, kad spalva labai nevienoda. Čia daug daugiau struktūros. O išorinė tų smegenų dalis yra naujoji žievė. Tai yra vientisas apdorojimo įrenginys, jei taip galima pasakyti. Bet jūs taip pat galite pamatyti giliau. Visos šios nenuspalvintos sritys yra tos, per kurias eina jungtys. Ten ląstelių tankumas greičiausiai mažesnis. Jūsų smegenyse yra apie 86 milijardai neuronų. Kaip matote, jie nevienodai pasiskirstę. Ir jų pasiskirstymas labai svarbus vykdomai funkcijai. Ir, aišku, kaip sakiau pradžioje, dėl to, kad dabar galime piešti smegenų veikimo žemėlapį, galime funkcijas susieti su individualiomis ląstelėmis.

Pažvelkime giliau. Pažiūrėkime į neuronus. Kaip minėjau, yra 86 milijardai neuronų. Taip pat yra tos mažesnės ląstelės, kaip matysite. Jos yra pagalbinės ląstelės -- astrocitai, gliocitai. O patys nervai yra duomenis priimančios ląstelės. Jos juos laiko ir apdoroja. Kiekvienas neuronas yra sujungtas sinapsėmis su iki 10 tūkstančių kitų neuronų jūsų smegenyse. Ir kiekvienas tas neuronas yra gana unikalus. Ir atskirų neuronų, ir neuronų rinkinių unikalumas pagrįstas pamatinėmis jų biocheminės struktūros savybėmis. Čia baltymai. Tai baltymai, kontroliuojantys tokius dalykus kaip jonų kanalų judėjimas. Jie kontroliuoja, su kuo nervų sistemos ląstelės bendrauja. Ir jie kontroliuoja iš esmės viską, ką nervų sistema daro.

Jei padidinsime mastelį dar labiau, visi šie baltymai yra užkoduoti mūsų genomuose. Kiekvienas iš mūsų turime 23 chromosomų poras. Vieną gauname iš mamos, kitą iš tėčio. Ir šiose chromosomose yra apie 25 tūkstančius genų. Jie užkoduoti DNR. Ir konkrečios ląstelės prigimtis, valdanti jos biocheminę struktūrą, yra nulemta to, kurie iš šių 25 tūkstančių genų yra įjungti ir kokiame lygmenyje įjungti.

Tad mūsų projekto esmė yra pažvelgti į šiuos parodymus, siekiant suprasti, kuris iš šių 25 tūkstančių genų yra įjungtas. Norint imtis tokio projekto, mums akivaizdžiai reikėjo smegenų. Tad mes išsiuntėme tavo techninį darbuotoją. Ieškojome normalių žmogaus smegenų. O iš tikrųjų pradėjome medicininio tyrėjo kabinete. Tai yra vieta, kur atgabenami mirusieji. Mums reikia įprastų žmogaus smegenų. Yra daugybė kriterijų, pagal kuriuos renkamės tokias smegenis. Norime būti tikri, kad turime normalias žmogaus smegenis tarp 20 ir 60 metų, kad jie mirė daugiau mažiau natūralia mirtimi be smegenų pažeidimų, nesirgdami psichine liga ir nevartodami narkotikų -- mes darome toksikologinį patikrinimą. Ir mes labai atsargūs, kokias smegenis imame. Mes taip pat pasirenkame tik tas smegenis, iš kurių galime paimti audinius, galime gauti sutikimą paimti audinius per 24 valandas po mirties. Nes tai, ką mes norime išmatuoti, RNA, talpinanti mūsų genų informaciją, yra labai nepatvari ir mes turime veikti labai greitai.

Iš smegenų rinkimo užrašų: dėl to, kaip mes renkame smegenis, ir dėl to, kad mums reikia turėti sutikimą, mes turime daug daugiau vyrų smegenų negu moterų. Vyrai daug dažniau žūsta būdami jauni. Ir daug labiau tikėtina, kad vyrams jų sutuoktinės duos sutikimą, negu priešingai.

(Juokas)

Pirmiausia, ką darome gavę smegenis, tai atliekame MR. Tai magnetinio rezonanso tomografija. Tai standartinis pagrindas, ant kurio mes sudėliosime likusius duomenis. Taigi, mes sukuriame MR atvaizdą. Jūs galite tai įsivaizduoti kaip mūsų žemėlapio satelitinį atvaizdą. Toliau mes atliekame vadinamąjį difuzinį tenzorinį atvaizdavimą. Taip registruojame smegenyse esančias jungtis. Vėlgi, galite tai įsivaizduoti beveik kaip mūsų greitkelių tinklo braižymą. Smegenys išimamos iš kaukolės ir supjaustomos į vieno centimetro storio riekes. Jos visiškai sušaldomos ir išvežamos į Sietlą. Sietle mes jas paimame -- tai yra visas žmogaus smegenų pusrutulis -- ir įdedame jas į tai, kas paprastai kalbant yra mėsos pjaustyklė. Ten yra ašmenys, kurios pjaus per audinio dalį ir pavers ją mikroskopiniu preparatu. Jį nudažysime vienu iš šių dažų ir skenuosime. Tai atlikę gauname savo pirmąjį žemėlapį.

Štai dabar pasikviečiame ekspertus ir jie padaro standartinį anatominį suskirstymą. Galite tai palyginti su valstijų ribomis, tie gražūs platūs kontūrai. Tai padarę galime smegenis fragmentuoti toliau, jas galime dėti ant mažesnio kriostato. Ir būtent tai dabar matote -- čia sušaldytas audinys ir jis yra pjaustomas. Čia 20 mikronų storis, taigi tai maždaug vaiko plauko plotis. Ir prisiminkite, audinys sušaldytas. O čia jūs matote senamadiškosios teptuko technologijos taikymą. Paimame mikroskopinį audinio preparatą. Tada atsargiai jį užtirpdome ant stiklelio. Tai paskui keliauja ant roboto, kuris nudažys jį vienu iš tų dažų. Tada ateis mūsų anatomai ir pažiūrės įdėmiau.

Vėlgi, tai yra ką jie mato per mikroskopą. Jūs matote didelių ir mažų ląstelių rinkinius ir konfigūracijas spiečiuose ir įvairiose vietose. Ir nuo čia viskas yra tiesiog rutina. Jie supranta, kur atlikti šiuos priskyrimus. Ir jie gali pagaminti iš esmės nuorodų atlasą. Tai yra detalesnis žemėlapis.

Mūsų mokslininkai juo naudojasi grįždami prie kitos audinio dalies ir daro vadinamąją lazerio skenavimo disekciją. Technikas priima instrukcijas. Jie pažymi vietas. Ir tada lazeris iš tikrųjų pjauna. Jūs matote tą mėlyną tašką, kuris pjauna. Ir tas audinys nukrenta. Ant šio mikroskopinio preparato galite matyti, kaip tai vyksta realiu laiku. Apačioje yra talpykla, renkanti audinį. Mes paimame audinį, išgryniname iš jo RNA, naudodamiesi paprastais metodais, ir tada uždedame fluorescencinę žymę. Mes paimame šiuos sužymėtus audinius ir uždedame ant vadinamojo mikromasyvo.

Tai jums gali atrodyti kaip taškų krūva, bet kiekvienas iš šių taškų iš tikrųjų yra unikali žmogaus genomo dalis, kurią mes padėjome ant stiklo. Ji turi apie 60 tūkstančių elementų, todėl mes pakartotinai matuojame įvairius genus iš 25 tūkstančių genų žmogaus genome. Ir kai mes paimame mėginį ir jį hibridizuojame pagal genus, mes gauname kažką panašaus į unikalų atvaizdą, rodantį, kokie genai yra įjungti tame mėginyje.

Bet kurioms smegenims šį procesą kartojame vėl ir vėl. Kiekvienoms smegenims imame virš tūkstančio mėginių. Ši vieta yra vadinama hipokampu. Ji susijusi su mokymusi ir atmintimi. Ji naudojama maždaug 70-yje mėginių iš to tūkstančio. Kiekvienas mėginys atneša apie 50 tūkstančių duomenų punktų, su pakartotinais matavimais, tūkstantis mėginių.

Tad skaičiuojant apytiksliai, mes turime 50 milijonų duomenų taškų vienoms žmogaus smegenims. Mes surinkome dviejų žmogaus smegenų duomenis. Viską sudėjome kartu į vieną vietą ir dabar parodysiu jums, kaip ši sintezė atrodo. Tai iš esmės yra didelis duomenų masyvas, kuris laisvai prieinamas bet kuriam pasaulio mokslininkui. Jiems net nereikia prisijungti, norint naudotis šiuo įrankiu, tyrinėti šiuos duomenis, rasti įdomių dalykų. Štai ką mes padarėme. Turbūt atpažinsite tai iš to, ką surinkome anksčiau. Čia MR atvaizdas. Jis suteikia struktūrą. Dešinėje yra valdymo pultas, kuris leidžia pasukti, leidžia priartinti, ir leidžia paryškinti atskiras struktūras.

Bet svarbiausia, kad mes kuriame žemėlapį iš šių anatominių struktūrų, kuris padeda suprasti, kuriose vietose yra įjungti atskiri genai. Raudonos sritys rodo, kur genai įjungti labai stipriai. Žalios yra neaktyvios sritys, kur genai nėra įjungti. Ir kiekvienas genas duoda mums atspaudą. Ir atminkite, kad mes išanalizavome visus 25000 genų žmogaus genome ir visi duomenys yra laisvai prieinami.

Tad ką gali mokslininkai gauti iš šių duomenų? Mes ir patys tik pradedame juos nagrinėti. Yra keletas paprastų dalykų, kuriuos norėtume suprasti. Du puikūs pavyzdžiai yra vaistai, Prozac ir Wellbutrin. Tai yra dažnai išrašomi antidepresantai. Neužmirškite, kad mes analizuojame genus. Genai siunčia nurodymus baltymų gamybai. Baltymai yra vaistų taikinys. Vaistai jungiasi prie baltymų ir juos išjungia ar panašiai. Tad jei norite suprasti vaistų veikimą, norite suprasti, ar jie veikia būtent taip, kaip norite, ir ar jie veikia kaip nors, kaip jūs nenorite. Dėl šalutinių efektų ir t.t. norite matyti, kur genai yra įjungti. Ir pirmąkart tai iš tikro galite padaryti. Mes tai galime padaryti ir keletui individų, kuriuos ištyrėme.

Tad dabar mes galime žvalgytis po visas smegenis. Galime matyti šį unikalų genų antspaudą. Ir gauti patvirtinimą. Patvirtinimą, kad išties tas genas yra įjungtas -- kažkam, kaip Prozac, serotonerginėse struktūrose, kurios žinojome, kad yra veikiamos, bet taip pat mes matome pilną vaizdą. Taip galime pamatyti vietas, į kurias niekas iki šiol nėra atkreipęs dėmesio ir ten matome įjungtus šiuos genus. Joks šalutinis efektas negalėtų būti įdomesnis. Dar vienas dalykas, kuriam galime pritaikyti šį metodą, nes tai yra struktūrų atpažinimo užduotis, ir todėl, kad tai unikalus antspaudas, yra tai, kad mes galime nuskenuoti ištisą genomą ir rasti kitus baltymus, kurie turi panašų antspaudą. Todėl jei dirbate vaistų kūrime, galite praeiti per visą sąrašą dalykų, kuriuos gali pasiūlyti genomas ir galbūt rasti geresnius taikinius vaistui ir pagerinti jo veikimą.

Dauguma jūsų tikriausiai susipažinę su viso genomo asociacijų tyrimais, kai žmonės kalba per žinias ir sako "Mokslininkai neseniai atrado geną ar genus, kurie turi poveikį X." Šio tipo tyrimus mokslininkai nuolatos publikuoja ir jie yra puikūs. Analizuoja dideles populiacijas. Nagrinėjami ištisi genomai ir bandoma rasti aktyviausias sritis, kurios priežastiniais ryšiais susijusios su genais. Bet tai ką gauname iš tokių tyrimų yra tiesiog genų sąrašas. Jis pasako, kas, bet nepasako kur. Ir todėl šiems mokslininkams yra labai svarbu, kad mes sukūrėme šį šaltinį. Mokslininkai gali jį naudoti ir gauti užuominų apie veiklą. Jie gali pradėti matyti būdus - kitus metodus, kurių anksčiau tiesiog negalėjo pritaikyti.

Todėl manau, kad būtent ši auditorija gali suprasti individualumo svarbą. Ir manau, kad kiekvienas žmogus, mes visi turime skirtingą genetinę kilmę, mes visi gyvename atskirus gyvenimus. Bet iš tikrųjų mūsų genomai bent 99-iais procentais panašūs. Esame panašūs genetiniame lygmenyje. Ir dabar atrandame, kad iš tikrųjų net smegenų biocheminiame lygmenyje esame gana panašūs. Tai parodo ne 99 procentų panašumą, bet apytiksliai 90 procentų atitikimą priimtinu tikslumu, todėl viskas tame debesyje daugiau mažiau koreliuoja. Tada atrandame išskirtinumų, kažką, kas yra už debesies ribų. Ir tie genai yra įdomūs, bet labai subtilūs. Todėl manau, kad labai svarbi idėja, kurią turėtumėte atsiminti: nepaisant to, kad itin vertiname savo išskirtinumą, mes esame gana panašūs net smegenų lygyje.

O kaip tie skirtumai atrodo? Čia studijos, kurią atlikome, pavyzdys tęsti tyrimą ir tiksliai pamatyti, kokie yra tie skirtumai, ir jie yra gan subtilūs. Tai yra, kokie genai yra įjungti atskiruose ląstelių tipuose. Štai du genai, kuriuos atrinkome kaip gerus pavyzdžius. Vienas vadinamas RELN -- jis susijęs su ankstyvaisiais vystymosi signalais. DISC1 yra genas, kuris šizofrenijos atveju neaktyvus. Šie individai nėra šizofrenikai, bet jiems būdinga tam tikra variacija populiacijoje. O štai čia, pas pirmą ir ketvirtą donorą, matote išimtis lyginant su kitais dviem. Genai yra įjungti labai specifinėje ląstelių grupėje. Šios tamsiai violetinėse nuosėdos šioje ląstelėje mums rodo, kad genas čia yra įjungtas. Ar tai dėl individo genetinės prigimties, ar dėl individo genetinės kilmės, ar patirties, pasakyti negalime. Tokie tyrimai reikalauja daug didesnių imčių.

Todėl paliksiu jus su paskutiniu teiginiu apie smegenų sudėtingumą ir kiek mums dar reikia atrasti. Manau, kad šie duomenų šaltiniai yra neįtikėtinai vertingi. Jie tyrinėtojams nurodo, kur toliau judėti. Bet iki šiol mes pažvelgėme tik į saujelę individų. Mes neabejotinai tirsime daugiau. Pabaigsiu sakydamas, kad įrankiai yra, ir tai tikrai yra neištyrinėtas ir neatrastas žemynas. Tai yra "nauja riba", jei taip galima pasakyti. Ir tiems, kurių nebaugina smegenų sudėtingumas, bet verčia kukliai žavėtis, jūsų laukia ateitis.

Ačiū.

(Plojimai)