«Включение» мозга с помощью света: Нобелевская премия 2026 года по физиологии или медицине

5 октября Нобелевская ассамблея при Каролинском институте объявила, что Нобелевская премия по физиологии или медицине за 2026 год присуждается Карлу Дейссероту, Петеру Хегеманну и Георгу Нагелю за их открытия в области светочувствительных ионных каналов и оптогенетики. Оптогенетика — это метод, позволяющий исследователям с помощью света включать или выключать отдельные нервные клетки в живом мозге; он используется для изучения того, как нейроны формируют воспоминания, эмоции и поведение. История начинается с зелёной водоросли, плывущей навстречу солнцу. Как организм из пруда оказался в цитате Нобелевской премии и что это изменило для людей на сегодняшний день?

Мечта, записанная в 1979 году

Человеческий мозг содержит примерно 86 миллиардов нейронов самых разных типов, плотно расположенных бок о бок и соединенных между собой способами, которые мы до сих пор пытаемся понять. На протяжении большей части XX века исследователи могли «прослушивать» эти клетки с помощью электродов или стимулировать их электрическим током. Проблема с электродом заключается в том, что он возбуждает всё, что находится в пределах досягаемости, будь то интересующая нас клетка, её соседи или волокна, которые случайно проходят мимо. В 1979 году Фрэнсис Крик написал, что большим препятствием для нейробиологии является отсутствие способа воздействовать на один тип нейронов, не затрагивая остальные. Позже он предположил, что эту задачу может решить свет, поскольку луч можно направить на цель и включать и выключать в течение миллисекунд. Однако нейроны не реагируют на свет. Кто-то должен был бы наделить их этой способностью.

Водоросль, воспринимающая свет

Питер Хегеманн посвятил значительную часть начала своей карьеры изучению того, как Chlamydomonas reinhardtii, одноклеточная зелёная водоросль, находит свет. У клетки есть крошечное глазко, и она плывет навстречу умеренному свету, который питает её фотосинтез, и уплывает от слишком яркого света. Хегеманн и его коллеги заметили, что водоросль реагировала за миллисекунды — гораздо быстрее, чем это позволила бы цепочка химических реакций. Такая скорость наводила на мысль, что световой датчик сам по себе представляет собой электрический канал в клеточной мембране.

Примерно в 2000 году в общедоступных базах данных начали появляться последовательности генома этой водоросли. Хегеманн и Георг Нагель, биофизик, который занимался изучением ионных каналов во Франкфурте вместе с Эрнстом Бамбергом, обнаружили два гена, напоминающих светочувствительные пигменты микроорганизмов. Нагель поместил их в яйца лягушки и в культивируемые клетки человека, включил лампу и измерил электрический ток. Первый белок, описанный в 2002 году, пропускал протоны. Второй, описанный в 2003 году и получивший название каналродопсин-2, открывался под воздействием синего света и пропускал в клетку положительно заряженные ионы, такие как ионы натрия.

Проще говоря, нейроны «общаются» друг с другом посредством электрических импульсов, возникающих при прохождении ионов через каналы в их мембране. Каналородопсин представляет собой канал со светочувствительным «замком». Синий свет открывает его, ионы проникают внутрь, и если их количество достаточно велико, нейрон генерирует импульс.

Автор: Бухен, Л. Нейробиология: освещение мозга. Nature 465, 26–28 (2010). https://doi.org/10.1038/465026a;

От научного интереса к практическому инструменту

Карл Дейссерот, психиатр и биоинженер из Стэнфорда, лечил пациентов с депрессией и другими расстройствами и знал, как мало в этой области известно о вовлечённых нейронных цепях. В 2005 году его лаборатория, в числе авторов которой были Эдвард Бойден и Фэн Чжан, с помощью вируса внедрила ген каналродопсина-2 в нейроны млекопитающих. Когда на клетки попадали импульсы синего света, они генерировали импульсы с точностью до миллисекунды и затихали, когда свет прекращался. Результаты были опубликованы в журнале «Nature Neuroscience» — одном из самых авторитетных изданий в этой области.

То, что превратило это открытие в инструмент, — это генетическое таргетирование. Присоединив ген к контрольным последовательностям, активным только в одном типе клеток, исследователи обеспечили, чтобы белок вырабатывали исключительно эти клетки. Затем свет можно подавать мыши через оптическое волокно, имплантированное в череп, и реагируют только меченные клетки. В последующих работах были добавлены белки, которые подавляют активность нейронов вместо того, чтобы возбуждать их, а также варианты, реагирующие на другие цвета и открывающиеся быстрее или медленнее. Имея в распоряжении как «включатель», так и «выключатель», можно было проверить, необходима ли та или иная схема для проявления поведения, а также достаточно ли её для его запуска.

Что показал этот переключатель

Чему можно научиться, если удается активировать небольшую группу клеток? В 2007 году освещение нейронов, продуцирующих орексин в гипоталамусе, пробуждало спящих мышей. В 2012 году группа Сусуму Тонегавы метила нейроны, которые были активны, пока мыши учились бояться камеры. Реактивация этих клеток с помощью света заставляла животных замирать в другой, безвредной камере, что показало: воспоминание можно искусственно «включить». В моделях болезни Паркинсона лаборатория Дейссерота в 2009 году сообщила, что стимуляция связей, идущих от коры головного мозга, облегчала симптомы, что дало ключ к пониманию того, как глубокая стимуляция мозга — метод лечения, уже применяемый у пациентов, — может достигать своего эффекта.

Та же логика была применена к тревоге, пищевому поведению, боли, зависимости и социальному поведению. Каждый эксперимент связывает определенное поведение с конкретной группой клеток, и именно эта связь является мишенью для лекарственного препарата или хирургического вмешательства.

Автор: Бухен, Л. Нейробиология: проливая свет на мозг. Nature 465, 26–28 (2010). https://doi.org/10.1038/465026a;

От мышей к пациентам

Клиническое применение появилось гораздо позже. В 2021 году команда под руководством Жозе-Алена Сахеля и Ботонда Роски сообщила в журнале «Nature Medicine» о мужчине, ослепшем от пигментного ретинита, который частично восстановил зрение. Вирус доставил вариант каналородопсина в клетки его сетчатки, и он носил очки, которые преобразовывали изображения с камеры в импульсы янтарного света. После нескольких месяцев тренировок он смог определять местоположение и считать предметы на столе и, по сообщениям, различать полосы пешеходного перехода. Такие исследователи, как Тобиас Мозер из Гёттингена, работают над оптическими кохлеарными имплантатами, которые смогут разделять звуковые частоты с большей точностью, чем используемые сегодня электрические устройства.

Существуют значительные оговорки. Результат, полученный в отношении сетчатки, касается одного пациента и частичного восстановления зрения. Для воздействия на нейроны, расположенные глубоко в человеческом мозге, требуется генная терапия и источник света, размещенный в ткани, и оба этих метода сопряжены с рисками, за которые исследования на мышах не несут ответственности. На данный момент оптогенетика — это скорее лабораторный инструмент, чем метод лечения.

Премия с тремя именами

Нобелевская премия может быть присуждена не более чем трем лауреатам, а в этой истории фигурирует больше людей. Эрнст Бамберг сотрудничал с Нагелем в экспериментах, в ходе которых были охарактеризованы свойства каналродопсина. Эдвард Бойден был соавтором статьи 2005 года, в которой описывался процесс введения этого белка в нейроны. Геро Мизенбёк ещё в 2002 году показал, что нейроны мух, несущие светочувствительные белки, можно контролировать с помощью света, используя другой набор генов. Какие открытия заслуживают места на сцене — это вопрос, на который Нобелевский комитет отвечает каждый год, и каждый год этот ответ оставляет коллег за пределами зала.