Alen Džouns (Allan Jones): Mapa mozga

Ljudi su već dugo očarani ljudskim mozgom. Istražujemo ga, opisujemo ga, crtamo ga, pravimo mapu ljudskog mozga. Tehnologija je značajno uticala na izgled mapa našeg sveta -- pomislite na Gugl mape, pomislite na GPS - isti preobražaj se dešava i u oblasti mapiranja mozga.

Bacimo pogled na mozak. Većina ljudi, kada prvi put vidi svež ljudski mozak, kaže: "Ne podseća na ono što obično vidite kada vam neko pokaže mozak." Ono što vam je uglavnom pokazivano je prepariran mozak. Siv je. Ovaj spoljašnji sloj, to je vaskulatura , neverovatno je da se nalazi oko ljudskog mozga. To su krvni sudovi. 20 procenata kiseonika iz vaših pluća, 20 procenata krvi ispumpane iz vašeg srca, opslužuje ovaj jedan organ. Praktično, ako spojite dve pesnice, mozak je jedva malo veći od toga.

Naučnici su negde krajem dvadesetog veka otkrili da prateći krvotok mogu neinvazivnim putem da mapiraju mesta aktivnosti u ljudskom mozgu. Na primer, mogu da pogledaju potiljačni deo mozga koji se nalazi otprilike ovde. Tu se nalazi mali mozak; održava vas u ovom momentu u uspravnom položaju. Meni omogućava da stojim. On je zadužen za održavanje ravnoteže. Sa strane se nalazi slepoočni režanj. Ovaj deo je zadužen za primarnu obradu zvuka -- tako da možete da čujete moje reči, i šaljete ih dalje u više centre za obradu govornih informacija Na prednjem delu mozga nalazi se centar za razmišljanje, donošenje odluka -- taj deo se poslednji formira, u odraslom dobu. Tu se odvijaju svi procesi vezani za donošenje odluka. To je mesto koje upravo sada odlučuje da verovatno nećete naručiti biftek za večeru.

Ako pažljivije pogledate unutar mozga. ako posmatrate poprečni presek, možete uočiti da tu i nema baš mnogo struktura. Ali zapravo, postoji tu mnogo struktura. To su međusobno povezane ćelije i provodnici. Pre nekih sto godina, naučnici su izumeli način da oboje ćelije. To je prikazano ovde veoma svetlom plavom bojom. Možete uočiti zone koje predstavljaju obojena ćelijska tela neurona. Uočavate da nije jednolično. Primećujete mnogo više struktura. Spoljašnji deo ovog mozga je neokorteks. To je, moglo bi se reći, neprekidna jedinica za obradu informacija. Takođe možete uočiti i ono što leži ispod toga. Neobojeni regioni su delovi gde prolaze provodnici. Gustina ćelija je tu verovatno manja. U našem mozgu se nalazi oko 86 milijardi neurona. Kao što možete da vidite, nisu uniformno raspoređeni. Raspored neurona značajno određuje njihovu ulogu u mozgu. Naravno, kao što sam već spomenuo, s obzirom da smo počeli da mapiramo funkcije mozga sada možemo da ih povezujemo sa pojedinačnim ćelijama.

Pogledajmo to detaljnije. Pogledajmo neurone. Kao što rekoh, imamo 86 milijardi neurona. Tu se nalaze i ove manje ćelije koje ćete videti. To su pomoćne ćelije - to je glija, to su astrociti. Sami neuroni su prijemnici informacija. Oni ih skladište i obrađuju. Svaki neuron je putem sinapsi povezan sa do 10 000 drugih neurona u vašem mozgu. Svaki neuron je sam po sebi poprilično jedinstven. Jedinstvene osobine i izdvojenih neurona i grupe neurona jedne strukture mozga su određene biohemijskim procesima koji se tu odvijaju. Proteini su za to zaduženi. Proteini koji upravljaju kretanjem jonskih kanala. Oni određuju sa kojim strukturama sarađuju ćelije nervnog sistema Upravljaju u principu svime što nervni sistem treba da uradi.

Uveličanjem do sledećeg nivoa vidimo da su svi ovi proteini kodirani u našem genomu. Svako od nas ima 23 para hromozoma. Dobijemo jednu kopiju od majke, jednu od oca. Na ovim hromozomima se nalazi oko 25 000 gena. Geni su zapisani u našoj DNK. Priroda svake ćelije uslovljava određene biohemijske procese, a određena je podskupom uključenih gena od ukupno 25 000 prisutnih u genomu i merom njihove eksprimiranosti.

Naš projekat ima za cilj da odgonetne ove parametre, da razume koji od ovih 25 000 gena su uključeni. Da bismo uradili takav projekat, očigledno je da su nam neophodni mozgovi. Tako da mi šaljemo laboratorijske tehničare na teren. Tražimo zdrave ljudske mozgove. Mi počinjemo u principu kod lekara-patologa, u mrtvačnici. Tu se donose mrtvi ljudi. Mi tražimo zdrave ljudske mozgove. Imamo puno kriterijuma po kojima biramo te mozgove. Zasigurno proverimo da su to bili zdravi ljudi stari između 20 i 60 godina, da su umrli prirodnom smrću bez povreda mozga, bez istorije psihijatrijskih bolesti, da nisu koristili droge - i proverimo toksikologiju. Pažljiivo se ophodimo prema mozgovima koje prihvatimo. Biramo one mozgove iz kojih možemo da izolujemo tkivo, gde možemo da dobijemo pristanak za preuzimanje tkiva u prva 24 sata posle smrti Moramo da budemo brzi u proceduri jer radimo sa RNK molekulima koji prenose informacije sa DNK do proteina, a veoma su nestabilni.

Jedna napomena o prikupljanju mozgova: zbog načina na koji do organa dolazimo i budući da je neophodan pristanak, imamo mnogo više muških od ženskih mozgova. Veća je verovatnoća za muškarce da umru iznenadnom smrću u najboljim godinama Mnogo je veća verovatnoća da njihov životni partner da odobrenje za proceduru nego obrnuto.

(smeh)

Kada preuzmemo organ, na licu mesta napravimo nešto što se zove MR snimak. To je slikanje magnetnom rezonancom - MRI. To je standradni uzorak na osnovu kojeg ćemo analizirati ostatak podataka. Napravimo taj MR snimak. To je nešto kao satelitski snimak za našu mapu Sledeći korak je dobijanje nečega što nazivamo slikanje difuznom magnetnom rezonancom. To mapira velike provodnike u mozgu. To pak možete zamisliti kao mapiranje autoputeva među državama, ako želite. Potom izvadimo mozak iz lobanje i isečemo ga na deliće debljine jednog centimetra. Te uzorke potom zamrznemo, i pošaljemo ih u Sijetl. U Sijetlu preuzmemo uzorke, ovo je čitava jedna hemisfera ljudskog mozga, i postavimo uzorke u proslavljeni sekač mesa. Ovaj žilet pravi preseke kroz postavljeno tkivo i potom prebaci uzorak na mikroskopsku pločicu . Potom nanesemo na te uzorke određene boje i snimamo ih. Tada dobijamo našu prvu mapu.

Stručnjaci potom dolaze na scenu i određuju anatomske odrednice uzoraka. Na to možete gledati kao na granice među državama, to su poprilično široki obrisi. Od ove tačke možemo dalje podeliti mozak na manje delove, koje potom postavimo na manji kriostat. To je prikazano ovde - zamrznuto tkivo koje sečemo. Uzorci su tanki 20 mikrona, debljine paperjaste dlake. Zapamtite da je tkivo zamrznuto. Možete ovde primetiti da koristimo staromodnu tehniku slikarske četkice. Dobijemo preparat za mikroskopiranje. Tada pažljivo otopimo uzorak na samoj pločici Posle toga će robot premazati uzorke jednom od ovih boja. Stručnjaci za anatomiju će zatim analizirati uzorak.

Ovo je ono što mogu videti pod mikroskopom. Možete videti grupacije i oblike velikih i malih ćelija, i grupacija ćelija na raznim mestima. Od tog momenta, procedura je rutinska. Oni tada naprave referentni atlas. Ovo je detaljnija mapa.

Naši naučnici na osnovu toga analiziraju drugi delić tog tkiva uz pomoć laserske mikrodisekcije. Tehničar dobije uputstva. Obeleži region na uzorku. Zatim se u principu laserom napravi rez. Uočićete ovu plavu tačku koju laser iseca. Tkivo se odvoji od uzorka. To možete sada videti na pločici, to se dešava istovremeno. Ispod svega se nalazi posuda u kojoj sakupljamo tkivo. Mi uzmemo to tkivo, izolujemo iz njega RNK koristeći osnovnu tehnologiju, i onda to obeležimo fluorescentnom bojom. Uzmemo taj obeleženi materijal i prebacimo ga na nešto što zovemo mikroniz (microarray).

Ovo se vama može učiniti da je samo skup tačkica, ali u principu svaka tačka predstavlja jedinstveni deo humanog genoma koji smo mi preneli na staklo. Tu se nalazi oko 60 000 elemenata, tako da je svaki od 25 000 gena u genomu predstavljen nekoliko puta. Kada prebacimo i vežemo naš uzorak za tu platformu, dobijemo jedinstveni otisak, možemo ga tako nazvati, koji pokazuje koji geni su eksprimirani, i u kom stepenu u tom uzorku

Ovo ponavljamo nekoliko puta za svaki mozak koji dobijemo. Za svaki mozak radimo analizu hiljadu uzoraka. Deo mozga koji je ovde pokazan se naziva hipokampus. Zadužen je za učenje i pamćenje. Uzorci hipokampalnog regiona mozga čine 70 uzoraka od tih hiljadu uzoraka koje analiziramo. Analiza svakog uzorka nam da oko 50 000 nalaza, imamo ponovljena merenja i radimo sa hiljadu uzoraka.

Otprilike, govorimo o setu od 50 miliona nalaza za svaki mozak koji analiziramo. Do sada smo obradili nalaze iz dva ljudska mozga. Sve te podatke smo integrisali u jednu celinu i pokazaću vam kako ta sinteza podataka izgleda. To je jedna ogromna baza podataka koja je besplatna i dostupna svim naučnicima na svetu. Čak ne moraju ni da se registruju da bi je koristili, istraživali ove podatke i došli do interesantnih informacija. Ovo su moduli koje smo uspostavili. Prepoznaćete sada strukture sa kojima smo započeli proceduru. Ove je MR snimak. To nam daje okvir rada. Ovde, sa desne strane, imamo operatorske funkcije koje omogućavaju da uveličate određeni deo, da označite pojedinačne strukture.

Najvažnije je to što sada prevodimo naše nalaze u anatomsku mrežu mozga, to je opšta mreža koja omogućava ljudima da shvate gde su geni eksprimirani. Crvena boja predstavlja strukture u kojima je gen snažno eksprimiran. Zelenom bojom je označen "hladni" region gde gen nije uključen Za svaki gen imamo jedinstvenu šemu. Zapamtite da smo analizirali svih 25 000 gena u genomu i svi ti podaci su dostupni.

Šta naučnici mogu iz svega toga da nauče? Mi sada počinjemo da analiziramo ove podatke. Trebalo bi da razumete određene osnovne principe. Navešću dva divna primera lekova, a to su "Prozak" i "Wellbutrin". To su uobičajeni antidepresivi koje lekari prepisuju Zapamtite da mi analiziramo gene. Oni su recepti za sintezu proteina. Proteini su meta lekova. Lekovi se vezuju za proteine i mogu da ih uključe ili isključe, itd. Ako želite da razumete mehanizam delovanja leka, treba da shvatite kako oni rade na način koji vi želite i kako čine ono što ne želite da čine. U analizi sporednih efekata lekova, itd., želite da znate gde su ti geni uključeni. Po prvi put smo u principu u stanju to da uradimo. Možemo analizirati istu stvar kod velikog broja ljudi.

Sada možemo da pregledamo ceo mozak. Uočićemo taj jedinstveni otisak gena. Tako dobijamo potvrdu. Dobijamo potvrdu da je gen zaista uključen za delovanje "Prozaca" u delovima koji proizvode serotonin, što smo svakako već znali, ali sada možemo analizirati sve. Sada možemo da analiziramo delove mozga koje niko pre nas nije analizirao, možemo uočiti eksprimiranje tih gena. Interesantno je onoliko koliko neželjeni efekti mogu biti interesantni. Druga primena ovih podataka je u vežbama za pronalaženje šema, usled toga što je to jedinstveni potpis gena, možete na osnovu ovoga analizirati čitav genom i naći i druge proteine koji imaju sličan potpis. Ukoliko se bavite otkrivanjem novih aktivnih supstanci, onda možete da analizirate celu listu proteina koji genom nudi i možda pronađete bolje mete za lekove i usavršite lek.

Verovatno su vam poznate studije koje se bave analizom čitavog genoma koje su dobro medijski propraćene, pa nalećete na izjave: "Naučnici su nedavno otkrili da je ovaj gen ili geni povezan sa osobinom X." Naučnici rutinski objavljuju studije ovog tipa i one su odlične. Analiziraju velike populacije ljudi. Analiziraju čitave genome, i pokušavaju da dođu do ključne osobine koja je uzročno povezana sa genima. Ovakvim vežbicama dolazite samo do liste gena. To vam govori o "šta", ali vam ne kaže ništa o "gde". Tako da je veoma važno za ove istraživače da smo stvorili ovu bazu podataka. Sada mogu uz pomoć baze podataka i da razumeju aktivnost gena. Mogu se baviti istraživanjem zajedničkih mehanizama, i drugih fenomena koje prosto ranije nisu mogli da rade.

Smatram da publika ovde shvata važnost posebnosti. Smatram da svaki čovek, svi imamo drukčiju genetičku pozadinu, svi smo živeli drukčije živote. Ali činjenica je da su naši genomi međusobno više od 99 odsto slični. Na genetičkom nivou mi smo slični. Pronašli smo da smo čak i na nivou biohemijskih procesa u mozgu veoma slični. Vidimo ovde da sličnost nije 99 odsto, već postoji oko 90 odsto sličnosti kada postavite razumne parametre i time je sve u ovom oblaku delimično povezano. Potom pronađemo neke izuzetke, ono što se nalazi izvan ovog oblaka. Ovi geni su interesantni, ali imaju blage efekte. Mislim da je najznačajnija poruka koju treba da ponesete sa ovog predavanja ta da iako slavimo razlike među nama, mi smo veoma slični, čak i na nivou mozga.

Kako izgledaju te razlike? Ovo je primer studije koja prati i nadovezuje se na priču gde smo tačno odredili te razlike -- razlike su veoma suptilne. Ovo su primeri gena koji su eksprimirani u određenom tipu ćelija. Ova dva gena su zaista dobri primeri. Jedan je nazvan RELN -- bitan je za rano razviće. A DISC1 je gen koji je mutiran u šizofreniji. Ovo nisu šizofreni ljudi, ali pokazuju određeni stepen varijabilnosti u populaciji. Ovde možete videti donora broj jedan i broj četiri, koji se razlikuju u odnosu na ostala dva, jer su geni eksprimirani u veoma određenoj grupi ćelija. Ovaj tamno ljubičasti talog u ćeliji nam govori da je gen eksprimiran. Ne znamo da li je to uslovljeno razlikama u ličnoj genetičkoj pozadini ili je uslovljeno iskustvom. Ovakav tip studija zahteva analizu znatno većih populacija.

Završiću izlaganje komentarom o složenosti mozga i tome koliko još treba naučimo. Smatram da su ovakve baze podataka neopisivo korisne. Pružaju istraživačima smernice u kom pravcu treba da razmišljaju. Analizirali smo mali broj osoba do sada. Sigurno ćemo analizirati više ljudi. Završiću komentarom da sada imamo oruđe, a ovo je zaista neistraženi, neotkriveni kontinent. Ovo je, moglo bi se reći, naš novi horizont. One koji nisu obeshrabreni, već očarani složenošću mozga, čeka budućnost.

Hvala.

(aplauz)