Лауреатами Нобелевской премии по физиологии и медицине в этом году стали ученый из США Карл Дейссерот, а также исследователи из Германии Петер Хегерманн и Георг Нагель за открытие в области управляемых светом ионных каналов и оптогенетики.
Водоросль помогла узнать тайны мозга
В этом году Нобелевская премия по физиологии и медицине была вручена за достижения в области оптогенетики — метода, который позволяет исследовать, как нервные клетки участвуют в формировании воспоминаний, эмоций и поведения в живом мозге.
Все началось с любопытства Петера Хегеманна. Он задумался, как одноклеточная водоросль хламидомонада находит путь к свету. В начале 2000-х Петер вместе с Георгом Нагелем открыл канальный родопсин — уникальный белок на поверхности клетки. Этот белок реагирует на синий свет, открывая канал, через который в клетку проникают заряженные ионы. В результате возникает электрический импульс. Ученые выяснили, что, если поместить этот белок в любую клетку, она начинает реагировать на свет.
Карл Дайссерот внедрил ген канального родопсина в нервные клетки крыс и, используя синий свет, смог активировать нервные сигналы. В 2005 году он опубликовал результаты этого исследования. Два года спустя ему удалось заставить этот световой переключатель работать в мозге живых мышей. Этот метод управления нервными сигналами с помощью света получил название оптогенетика. Он быстро стал популярным среди ученых по всему миру. С помощью оптогенетики исследователи научились выявлять нейронные цепи, ответственные за воспоминания, эмоции и поведение, связанное с неврологическими и психическими расстройствами. В медицине этот метод используют для восстановления зрения у людей с нарушениями.
Оптогенетика в России
В России метод давно применяют, получая результаты мирового уровня. Например, академик РАН Павел Балабан, который работает заведующим лабораторией клеточной нейробиологии обучения Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, недавно получил новые результаты, определив функцию глиальной ткани, которая, как раньше считалось, просто окружает нейроны.
«Недавно наша статья была опубликована в престижном международном журнале. В ней мы представили оптогенетический подход, который позволяет избирательно управлять активностью нейронов с помощью светочувствительных молекул. Эти молекулы воздействуют не только на нейроны, но и на окружающие их клетки — астроциты, которые окружают нейроны. В обычных условиях они остаются неактивными, но при воздействии света начинают реагировать, передавая сигналы нейронам. Мы продемонстрировали, что светочувствительные молекулы могут как активировать, так и тормозить нейроны в зависимости от направления сигнала. Это открывает новые возможности для изучения и контроля мозговой активности. Как оказалось, глиальная ткань — это не вспомогательная, а управляющая структура, которая может влиять на процессы в реальном времени», — рассказал «Газете.Ru» академик Балабан.
По его словам, задумка этой технологии появилась еще в 1978 году у советских ученых, работающих в МГУ им. Ломоносова, — Ф.Ф. Литвина и В.А. Синещекова.
С точки зрения Балабана, это всего лишь инструмент для исследования мозга, а не революция в биологии.
С Балабаном не согласен российский психофизиолог, заведующий лабораторией нейрофизиологии и нейрокомпьютерных интерфейсов на биологическом факультете МГУ имени М.В. Ломоносова Александр Каплан.
«Если человек думает о чем-то и мы сможем увидеть, какие клетки мозга активизируются, это впервые дает нам понять, какие участки мозга связаны с его мыслями. Это очень серьезное достижение», — считает он.
20 лет назад Каплан хотел сделать нейроинтерфейс, основанный на принципе оптогенетики, совместно с американским ученым Эдвардом Бойданом, который известен как один из авторов методики оптогенетики. Каплан считает, что этого исследователя также должны были номинировать на Нобелевскую премию.
О революционном вкладе говорит и генетик Павел Волчков, заведующий лабораторией геномной инженерии Московского физико-технического института.
«Оптоволоконная технология произвела настоящую революцию в изучении роли отдельных нейронов в коре головного мозга. Она позволила понять, как эти нейроны влияют на процессы. Сейчас технологии стали еще более продвинутыми. Можно интегрировать сложные генетические конструкции, которые активируют разные типы нейронов в зависимости от длины волны света. Это позволяет создавать сложные комбинации импульсов, активируя различные нейроны по очереди или одновременно», — считает ученый.
Виталий Дунин-Барковский, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий отделом нейроинформатики Центра оптико-нейронных технологий НИИСИ РАН, обращает внимание на то, что методика уже внедряется в здравоохранение.
«Иногда полезно что-то затормозить — вирусные векторы позволяют адресно направить молекулы именно в те клетки, которые нам нужны. Для аналитических целей по разным причинам хочется возбудить или затормозить часть нейронов — это помогает раскрыть механизмы работы конкретных нейронов», — говорит ученый.
В любом случае, все ученые сошлись во мнении о серьезном вкладе нобелиатов в развитие современных технологий изучения мозга.
Сделал открытие, пока менял подгузник
«Я смог дозвониться до всех трех лауреатов, и это было замечательно. Первым я дозвонился до Дайссерота. Он был очень усталым, когда ответил. Я уверен, что он точно спал в это время. Но он проснулся и ответил. Я знаю, что все три лауреата были очень удивлены. И все трое сказали одно и то же: они крайне рады получить Нобелевскую премию», — сказал секретарь Нобелевского комитета Томас Перлман после объявления лауреатов.
Карл Дайссерот — ученый из Медицинского института Говарда Хьюза и Стэнфордского университета (внесен Минюстом в перечень нежелательных в России организаций), США. Он родился 18 ноября 1971 года в Бостоне, получил степень бакалавра по биохимии в Гарвардском университете (1992), а затем продолжил обучение в Стэнфорде, где в 1998 году получил степень доктора философии по неврологии, а в 2000 году — доктора медицины. После интернатуры и ординатуры по психиатрии в Стэнфорде он начал там же преподавательскую деятельность.
В одном из интервью ученый заявил, что искренне любит лирическую прозу и даже написал книгу под названием «Прогнозы». Он пояснил, что именно делает эту книгу интересной и что его самого увлекает в писательском деле — исследование человеческих эмоций. Словом, полная противоположность Шелдону Куперу из сериала «Теория большого взрыва».
«В центре каждой главы — чья-то жизненная история, рассказ о человеке, оказавшемся в измененном состоянии сознания. Каждая глава — это, по сути, история одного или двух людей. Все начинается с конкретного человека и его состояния — будь то горе, мания или расстройство пищевого поведения, — но эти состояния становятся отправными точками для перехода к науке, к истории человечества (и даже к доисторической эпохе и эволюции), а также к моему собственному опыту. Размышляя о пациентах и их переживаниях — а это множество самых разных и сложных историй, — а также о научных возможностях (например, оптогенетике) и связанных с ними открытиях, я смог выстроить для каждой главы целостную структуру, подводящую к главной мысли», — рассказал ученый.
В детстве Дайссерот очень любил читать: однажды он читал прямо во время езды на велосипеде и врезался в припаркованные машины, а благодаря феноменальной памяти и в детстве мог с одного прочтения выучить стихотворение. Было и необычное увлечение: он любил разглядывать жучков и сбитых машинами животных на дороге.
«Я очень внимательно осматривал дорожно-транспортные происшествия», — признается в интервью Newyorker Дайссерот.
В этом же интервью он рассказал, что учился в третьем классе, когда узнал, что его собственный мозг функционирует необычным образом. Учитель попросил класс выбрать стихотворение для чтения по памяти. Дайссерот открыл читалку, посмотрел на страницу с надписью «Дорога не пройдена» и поднял руку. Когда учитель объяснил, что сначала ему нужно выучить стихотворение, он сказал, что уже сделал это, и прочитал его. Учитель, не поверив, провел остаток урока, призывая его быстро взглянуть на стихотворение, а затем прочитать его.
«Это превратилось в цирковой номер», — говорит Дайссерот.
В резюме Дайссерота есть важное достижение: прозрачные мозги. В 2013 году его команда разработала метод удаления жирового вещества из мозга мыши и замены его на каркас из гидрогеля. Этот прозрачный желеобразный материал позволяет получать очень детализированные изображения мозга, что значительно превосходит стандартное сканирование фМРТ. Идея пришла к нему, когда он менял подгузник.
Был очарован великими мореплавателями и полярниками
Петер Хегеманн — немецкий биохимик и биофизик, специалист по фотобиологии, один из пионеров оптогенетики. Он родился 11 декабря 1954 года в Мюнстере (Германия), изучал химию в родном городе и в Мюнхене, а докторскую степень по биохимии получил в Институте биохимии Общества Макса Планка. После постдокторской работы в Сиракузском университете в Нью-Йорке Хегеманн вернулся в Германию в 1986 году. В 1992-м он хабилитировался по биохимии в Мюнхенском университете; c 1993 по 2004 год был профессором биохимии Регенсбургского университета, а с 2005-го — профессором Берлинского университета имени Гумбольдта. С 2015 года он также занимает должность профессора по нейронаукам.
Его мама и папа, оба дедушки и брат были врачами. Сам ученый описывает свою юность как «чрезвычайно традиционную». В Мюнхене он познакомился со своей женой, которая родила ему троих детей. В своей автобиографии он с юмором замечает, что семья продолжает «любить и ссориться» друг с другом и теперь в этом участвуют двое внуков.
В детстве Хегеманн был очарован великими мореплавателями и полярниками (Васко да Гама, Колумб, Магеллан, Кук, а позже — Нансен и Амундсен). По его словам, эти истории научили его тому, что нужно для исследования: тщательная подготовка, терпение, мужество и надежные коллеги.
На вопрос журнала C&En в 2023 году, кем бы он стал, если бы не был ученым, он ответил: «первооткрывателем или хирургом». Это нашло отражение в его научном пути: Хегеманн десятилетиями изучал «непонятные» светочувствительные рецепторы водорослей, когда это не было ни модно, ни привлекательно для финансирования, и продолжал работу, несмотря на неудачи.
Питер Хегеманн в школе не был примерным ботаником. Он ненавидел классическую гимназию с ее бесконечными переводами с латыни и греческого трактатов об античных войнах. Будущий нобелевский лауреат играл на флейте в оркестре и гонял на мотоциклах в свободное от учебы время. В более зрелом возрасте его хобби сместились в сторону катания на лыжах, альпинизма, парусного спорта (иногда он даже участвовал в гонках на озерах) и джаза. В 2024 году в интервью C&En ученый признался, что его хобби — это «внуки, джаз, парусный спорт и лыжи».
С 2005 года Питер Хегеманн работает в Берлине. О столице Германии он отзывается с теплом и иронией: город ему подходит — «хаотичный и стимулирующий, с его повседневной борьбой».
Открыл кафе
Георг Нагель — биофизик и профессор кафедры нейрофизиологии в Университете Вюрцбурга в Германии. Его исследования сосредоточены на микробных фоторецепторах и разработке оптогенетических инструментов. Он родился 24 августа 1953-го в Вайнгартене, Германия.
«Родившись в Вайнгартене, на юге Германии, я был первым из пяти детей и серьезно заболел в возрасте пяти лет. Когда мой брат и сестры катались на лыжах в соседней Австрии, я строил паровой двигатель или радио из комплекта для естественнонаучного обучения, который мои родители дарили мне каждый год на Рождество. Летние школьные каникулы я часто проводил, проходя хирургическое лечение в университетской больнице», — вспоминает ученый.
После защиты диплома он не был готов сразу приступить к докторской диссертации, поэтому работал учителем в частной школе и открыл с друзьями кафе в немецком Констанце. А на развитие его научной карьеры сильно повлияла любовь всей жизни — Анна, приглашенный профессор в Колумбийском университете, с которой они потом поженились.
«В Нью-Йорке я также встретил любовь всей своей жизни, Анну, приглашенного профессора Колумбийского университета из Неаполя, Италия. Вместе мы наслаждались Нью-Йорком еще больше, и она, как молекулярный биолог, помогла мне расширить мой биофизический подход к науке. Мой отъезд из Нью-Йорка в Германию, а Анны — в Италию был трудным, но, к счастью, Анна затем приехала в EMBL в Гейдельберге, недалеко от Франкфурта, где я получил должность руководителя группы в отделе Бамберга в MPI.<..> 1996 год был особенным: мы с Анной поженились в Дании и родилась Нина. Наша дочь дала новый смысл жизни и уравновесила некоторые трудности и неудачи в лаборатории», — вспоминает ученый.