Мозг невероятно сложен, и для таких нейробиологов, как я, это одновременно пугает и завораживает. В объёме одного кубического миллиметра — примерно размером с одно маковое зёрнышко — находятся десятки тысяч нейронов и других вспомогательных клеток мозга, каждая из которых влияет на работу друг друга.
Как нейробиологи разбираются в этой сложности? И как они пришли к тому, что могут просто направлять на мозг свет разных цветов, чтобы управлять активностью нейронов?
Ответ — шаг за шагом, с огромной помощью технологий.
Возвращение к некоторым технологическим достижениям, которые поддержали нынешнее понимание исследователями работы мозга, может указать на то, куда может направиться область нейробиологии дальше. Существует примерная закономерность в технологических прорывах, которые привели нейробиологию к сегодняшнему дню: визуализировать мозг, измерить его функцию, а затем управлять ею.
Оптогенетика использует свет для управления активностью нейронов. Фото: Jonathan Nackstrand/AFP via Getty Images
Использование света для влияния на функцию нейронов, известное как оптогенетика, позволяет нейробиологам управлять тем, что делают нейроны, с точностью до миллисекунд. Исследователи, чья работа привела к появлению этой методики, получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2026 года.
Уровень контроля, обеспечиваемый оптогенетикой, позволяет предположить, что способность терапевтически корректировать активность мозга способами, которые раньше звучали как фантастика, может быть на горизонте, включая восстановление зрения, уменьшение боли и лечение таких заболеваний, как эпилепсия и психические расстройства.
Визуализация мозга
Кляксы цвета и увеличение — вот как нейробиологи узнали, как выглядят нейроны и как они соединяются друг с другом.
В конце 1800-х годов испанский нейробиолог и художник Сантьяго Рамон-и-Кахаль рисовал то, что видел через микроскоп. Он рассматривал образцы мозговой ткани, окрашенные серебром, чтобы сделать отдельные нейроны видимыми, — метод, разработанный итальянским нейробиологом Камилло Гольджи.
Рисуя, Кахаль размышлял о том, как нейроны могут влиять друг на друга через свои связи. Идеи, которые он разработал, составляют основу того, как мозг учится и запоминает. Работа этих учёных принесла им Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1906 года.
В 1970-х годах исследователи разработали ещё один вариант нанесения цвета на мозг — антероградное и ретроградное прослеживание. Эти методы позволили нейробиологам картировать различные пути между нейронами в мозге.
Коннектом мозга невероятно сложен.
Сегодня мозг можно визуализировать гораздо более детально с помощью таких технологий, как электронная микроскопия, которая involves направление потока электронов на объект для получения изображения с атомным разрешением, и экспансионная микроскопия, которая использует тот же тип геля, что и в детских подгузниках, чтобы физически увеличить образец ткани для визуализации каждой клетки и её связей. Эти методы в сочетании с алгоритмами искусственного интеллекта позволяют учёным увидеть сложность внутри кубического миллиметра мозговой ткани.
Магнитно-резонансная томография также глубоко повлияла на то, как исследователи понимают мозг. Функциональная МРТ позволяет нейробиологам неинвазивно подслушивать активность мозга, измеряя кровоток по всему мозгу. В 2003 году Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена за разработку методов МРТ, которые делают возможной функциональную МРТ: быстрые последовательности визуализации и пространственное кодирование.
Все эти методы визуализации и увеличения формируют область коннектомики: картирование всех связей между нейронами.
Измерение активности нейронов
Помимо визуализации структур и расположения мозга, способность управлять электричеством позволила исследователям узнать, как нейроны общаются.
Нейробиологи Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1963 года за работу по захвату и измерению электрических импульсов, которые создают нейроны. Нейроны распространяют эти потенциалы действия для общения друг с другом.
Сегодня зонды, которые нейробиологи используют для измерения электрической активности нейронов, могут подслушивать активность сотен нейронов из разных областей мозга одновременно.
Исследования с использованием методов одновременной регистрации переворачивают понимание учёными работы мозга: серия исследований, опубликованных в 2025 году, показала, что, пока животное принимает решение, 95% мозга активно участвует в этом процессе, а не только нейроны в областях мозга, обычно связанных с принятием решений.
Управление нейронами
Способность контролировать активность конкретных нейронов существует с конца 1980-х годов, когда французский нейрохирург Алим-Луи Бенабид разработал методику глубокой стимуляции мозга, чтобы помочь облегчить симптомы болезни Паркинсона.
Глубокая стимуляция мозга действует как кардиостимулятор для активности мозга. Сегодня исследователи изучают потенциальное использование этой методики для облегчения симптомов психических расстройств, включая обсессивно-компульсивное расстройство, большую депрессию и компульсивное переедание, и это лишь некоторые из них.
Хотя результаты могут быть впечатляющими, глубокая стимуляция мозга — относительно грубый метод контроля активности нейронов, поскольку имплантированный электрод влияет на все близлежащие клетки. Но исследователи разрабатывают более точные методы с более высоким разрешением как для изучения, так и для корректировки функции мозга.
Одна из самых замечательных вещей в оптогенетических методах — то, что они также могут помочь лечить болезни. Исследователи в настоящее время проверяют, может ли оптогенетика облегчить симптомы или улучшить лечение потери зрения, болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона, эпилепсии, рассеянного склероза, диабета, рака и многого другого.
Нейробиология становится вирусной
Нейроны естественным образом не реагируют на свет, используемый в оптогенетике. Поэтому нейробиологи должны инструктировать их перестраивать свои клеточные стенки так, чтобы некоторые из их белков реагировали на свет. Учёные делают это, отправляя инструкции непосредственно нейронам через безвредный вирус.
Оптогенетика — не единственная нейробиологическая методика, использующая вирусы для доставки инструкций нейронам. То же самое делает метод под названием «рецепторы, разработанные исключительно для активации разработанными лекарствами», или сокращённо DREADDs.
Как и оптогенетика, DREADDs дают нейробиологам возможность контролировать активность нейронов. В то время как оптогенетика использует свет, чтобы нацелиться на конкретную группу нейронов и контролировать их активность, DREADDs делает это химически — как набор «замок и ключ», который работает только на определённых типах нейронов или в конкретной области мозга.
DREADDs использует тот же безвредный вирус, чтобы инструктировать нейроны изменять свои химические рецепторы так, чтобы они реагировали только на определённые лекарства. Несколько клинических испытаний проверяют, можно ли использовать эту методику для лечения таких состояний, как болезнь Паркинсона, эпилепсия и нейропатическая боль.
В будущем хирургическая процедура с использованием красного или синего света может восстановить зрение или остановить прогрессирование нейродегенеративных заболеваний на месте. Или коктейль лекарств может уменьшить тревожность или лечить эпилепсию. Эти методы лечения станут кульминацией десятилетий работы по разработке способов точно определить, где мозг дисфункционален, и уточнить или изменить активность нейронов в этих областях.
Если спросите меня, будущее нейробиологии выглядит светлым.
Источники: Нобелевский комитет по физиологии и медицине; материалы об оптогенетике, DREADDs, глубокой стимуляции мозга и коннектомике; исследования 2025 года о принятии решений.
Ваш комментарий