Ильина Е. С.

Биологическая обратная связь в терапии головной боли у пациентов с различными физиологическими параметрами.

Автореферат кандидатской диссертации. Москва.

http://vak.ed.gov.ru/dis-details?xPARAM=100030404:100

Исследователям из США удалось соединить мозг трёх людей в одну сеть. Интерфейс мозг-мозг назвали BrainNet, это неинвазивный способ передачи информации от двух добровольцев третьему с помощью электроэнцефалограммы и транскраниальной магнитной стимуляции. Система уже успела успешно показать себя в испытании – небольшой игре, где от участника требовалось правильно расставить фигуры на экране, при этом получая указания от двух других людей через интерфейс. Выигрышный результат составил более 80 процентов. Подробнее о разработке можно прочитать на сайте препринтов arXiv.

Вопросом объединения мозга с мозгом задаются достаточно много учёных. К примеру, три года назад сотрудники Университета Дьюка во главе с Михаилом Лебедевым соединили мозг трёх макак при помощи электродов, которые вживили в серое вещество. Так как применение инвазивных методов на людях невозможно из этических соображений, создание человеческого интерфейса мозг-мозг затруднено. Однако, остаётся возможность применения неинвазивных способов мониторинга и стимуляции – электроэнцефалографии (ЭЭГ) и транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС).

Команда авторов во главе с Линсяном Цзяном (Linxing Jiang) из Университета Вашингтона решила использовать эти методы и попробовать объединить сознание трёх людей между собой. Они пригласили 15 добровольцев, которых разделили на несколько троек. Так, в каждой команде двое выполняли роли инструкторов, а третий – инструктируемого. Для считывание информации от мозга первых двух участников учёные применили ЭЭГ, а для передачи активности к третьему – ТМС.

Задание заключалось в прохождении игры, напоминающей тетрис: наверху экрана появлялась фигура, которую нужно было перевернуть так, чтобы заполнить пробелы в ряду снизу. Участники в роли инструкторов видели финальный ряд и знали, нужно ли предпринимать действия и манипулировать фигурой, при этом третий участник ряда не видел, но мог принимать решения об изменении положения.

Чтобы это сделать, третьему человеку в команде нужно было наблюдать за лампочкой, которая располагалась с разных сторон – слева и справа в зависимости от инструкции. Она мигала с разной частотой, что формировало сигнал, с помощью ТМС переходящий в зрительную кору получателя. Такая стимуляция способствовала появлению фосфена – зрительного ощущения, при котором появляется небольшое светящееся пятно. При наблюдении фосфена третий доброволец принимал решение переворачивать фигуру, а если этого не случалось, то оставлял её в неизменном положении. В результате BrainNet помог правильно угадать нужное положение фигуры в 81,3 процентах случаев – это высокий результат, что говорит о низкой вероятности случайного попадания.

Интересно, что учёным удалось научить получателя инструкции определять верность информации. Одному из инструкторов они дали задание намеренно давать неправильные данные. В итоге инструктируемый смог отличить правильные посылы от неправильных.

В ранних экспериментах интерфейсы мозг-мозг уже разрабатывались, однако, количество участников обычно не превышало двух. В своей новой работе исследователям удалось создать первый подобный интерфейс с использованием мозга трёх человек и получить многообещающие результаты.

Текст: Екатерина Заикина

Источник

«Модная» в современной нейробиологии система редактирования генома позволила обнаружить новый биомаркер болезни Альцгеймера. Открытие и методика опубликованы в Journal of Molecular Medicine.

Система CRISPR/Cas9 – пожалуй, самый популярный в настоящее время инструмент для редактирования геномов. Каждый день выходят десятки статей, посвящённых новым достижениям в генной инженерии, совершённым с использованием этой удивительно простой и дешёвой технологии.

Сама по себе система CRISPR/Cas имеется у бактерий и обеспечивает им приобретённый иммунитет к бактериофагам. Молекулы РНК, считываемые с локуса CRISPR, связываются с геномом вируса, попавшего в клетку, и притаскивают за собой белок Cas9, разрушающий вирусный геном. Оказалось, что, если в любую клетку доставить белок Cas9 (например, засунуть в клетку плазмиду, кодирующую его) и направляющую РНК, комплементарную какому-нибудь гену в клеточном геноме, то Cas9 внесёт в него разрыв и тем самым выключит его.

Конечно, такой удобный инструмент не могли оставить без внимания и нейробиологи. Они выяснили, что в нейронах пациентов с болезнью Альцгеймера практически отсутствует белок STIM1. Этот белок локализуется в эндоплазматическом ретикулуме и регулирует выход из него ионов кальция. Какова же его роль в патогенезе Альцгеймера? Для ответа на этот вопрос учёные с помощью CRISPR/Cas9 отключили ген STIM1 в клетках нейробластомы (естественно, в клетках, живущих в культуре, а не клеток реальной опухоли). И, действительно, эти клетки стали очень похожи на нейроны при болезни Альцгеймера: они демонстрируют признаки старения, их митохондрии имеют деполяризованную внутреннюю мембрану, менее активные дыхательные цепи и пониженную концентрацию кальция. Вероятно, отсутствие экспрессии белка STIM1 может служить верным признаком начинающейся болезни Альцгеймера.

Текст: Елизавета Минина

Источник

Учёные выявили временной промежуток, в который можно избежать развития социального дефицита (social deficits), аутизмоподобного состояния при туберозном склерозе. Совместное исследование авторов из Бостонской детской больницы, Университета Техаса, Гарвардской медицинской школы и детской больницы в Торонто опубликовано в Cell Reports.

Туберозный склероз и аутизм

До сих пор остаётся тайной то, как сотни генов влияют на когнитивные и нейроспихиатрические особенности поведения у людей с аутизмом. Мутация в генах TSC1 или TSC2 приводит к развитию туберозного склероза, и у половины пациентов с этим диагнозом есть расстройство аутистического спектра.

Исследователи из Университета Техаса удалили ген TSC1 из мозжечка мыши. Учёные и раньше удаляли гены TSC из мозга мышей, но эксперимент был неудачным: у мышей начинались судороги, они быстро умирали, поэтому понять, влияет ли эта процедура как-либо на социальное познание (social cognition) было невозможно. Поэтому учёные решили отключить только TSC1 в клетках Пуркинье мозжечка, т.к. именно эти клетки вовлечены в развитие аутизма. Это решение оказалось удачным: припадков у мышей не было, продолжительность их жизни не отличалась от продолжительности у здоровых мышей.

Время – наше всё

Первые попытки устранить расстройства аутистического спектра учёные предприняли ещё в 2012 году. С первой недели жизни больным мышам давали рапамицин. Этот препарат одобрен FDA для терапии опухолей головного мозга и почек, а также рефрактерной эпилепсии, которая развивается у пациентов с туберозным склерозом. У мышей не развился социальный дефицит, а также удалось избежать появления повторяющегося поведения (repetitive behaviors).

о аналогичный препарат – эверолимус – не улучшил нейрокогнитивные функции у детей с туберозным склерозом. Возможно, на успешность терапии повлияло то, в какой период развития проходило лечение.

Новое исследование на мышах не просто определило правильный временной период для терапии рапамицином при наличии аутистическом поведения, но ещё и описало клеточные, электрофизиологические и анатомические механизмы, характеризующие этот период.

Если начинать лечение с 6 недель, то удаётся сохранить социальные навыки пациента, но не получается устранить повторяющиеся поведение и когнитивные нарушения; если начинать лечение ещё позже, с 10 недель, то утрачивается шанс побороть и социальный дефицит.

Полное изменение некоторых областей мозга, видное на МРТ, клеточная патология и возбудимость клеток Пуркинье коррелирует с сохранением социального поведения (social behaviors). Стоит отметить, что способность к моторному научению (motor learning) не зависит от жизнеспособности клеток Пуркинье или способности клеток к возбуждению.

Поможет ли это на практике?

Может ли ранняя терапия повлиять на ещё какие-то симптомы аутизма у детей с туберозным склерозом? Найти ответ на этот вопрос – новая задача команды учёных. Они будут исследовать эффективность терапии при начале лечения у детей в возрасте от года до двух. Ранее исследования проводились с участием пациентов от 6 лет до 21 года.

Текст: Морозова Анна

Источник

Ученые нашли аутоантиген, который заставляет иммунную систему атаковать клетки собственной нервной системы. Именно эта патологическая аутоиммуная реакция лежит в основе рассеянного склероза. Статья опубликована в журнале Science Translational Medicine.

В обычных условиях Т-клетки связываются с короткими петидами вторгнувшихся в организм микробов. Но что они атакуют у пациентов с рассеянным склерозом? Изначально ученые предполагали, что аутоантигеном может быть белок миелинового волокна, но спустя годы поисков их догадка не подтвердилась. Тогда они решили исследовать Т-клетки пациентов, умерших от рассеянного склероза.

Авторы протестировали 200 смесей Т-клеток, каждая из которых состояла из 300 миллиардов фрагментов, и обнаружили 2 фрагмента, которые дали самый яркий антигенный ответ. Они входят в состав гуанозин L-фукоза-дифосфат синтетазы (guanosine diphosphate-L-fucose synthase). Этот фермент перестраивает сахара, которые участвуют во всех жизненных процессах, например, формируют память или определяют группу крови.

Затем ученые провели аналогичное тестирование Т-клеток 31 пациента, у которых либо уже стоял диагноз «рассеянный склероз», либо только появились первые симптомы заболевания, и выявили, что иммунные клетки 12 из них проявляют активность по отношению к этому ферменту. Более того,  Т-клетки  четырёх из восьми пациентов продемонстрировали иммунный ответ на бактериальную версию этого фермента – и это ещё одно доказательство в пользу теории, согласно которой бактерии кишечника могут способствовать развитию рассеянного склероза.

С другой стороны, некоторые микроорганизмы, вырабатывающие найденный фермент, реже встречаются в кишечнике больных РС, чем у здоровых людей. Несмотря на такие противоречия, эксперты отмечают, что исследование проведено невероятно грамотно и правильно, с использованием очень сложных техник.

Гуанозин L-фукоза-дифосфат синтетаза широко встречается в тканях мозга, и именно поэтому внимание на неё обратили только сейчас. Это открытие – первый шаг в очень многообещающем и интересном направлении.

Если гуанозин L-фукоза-дифосфат синтетаза окажется тем самым аутоантигеном РС, то её можно будет вводить пациентам для устранения мышечной слабости и онемения конечностей. Подобный принцип лежит в основе аллерген-специфической иммунотерапии, или аллерговакцинации, и успешно применяется для устранения симптомов некоторых поллинозов. Первые исследования в этом направлении запланированы уже на следующий год.

Текст: Морозова Анна

Источник

Ученые использовали новый метод Drop-seq, позволяющий анализировать тысячи пораженных клеток и их генов при травмах головы с помощью симуляции. Такой более детализированный подход поможет в лечении черепно-мозговых травм (ЧМТ), как отмечается в исследовании, опубликованном в Nature Communications.

Основной целью работы стало то, что происходит с нейронами гиппокампа, участвующих в процессах обучении и памяти, после черепно-мозговых травм.

 «Эта методика невероятно точна, и мы можем определить, какие клетки и гены поражены, и нацелить на них новые, специфические методы лечения», — говорит доктор Ся Ян (Xia Yang), профессор в Университете Калифорнии в Лос-Анджелесе.

Ученые обнаружили, что при черепно-мозговых травмах экспрессия некоторых генов усилена или наоборот ослаблена. Как оказалось, некоторые из них имеют значение в развитии иных заболеваний, например, болезни Альцгеймера. Этот факт может помочь объяснить, почему черепно-мозговые травмы способствуют возникновению других недугов.

К примеру, исследователи обнаружили измененную активность в генах, которые участвуют в регуляции синтеза амилоидных белков при болезни Альцгеймера. Образование амилоидов связано с патологическим, неправильным сворачиванием, агрегацией (образованием фибрилл) и последующим их отложением как в нервных клетках, так и в межклеточном пространстве. Один из таких белков, которые в ненормальном виде начинают накапливаться – транстиретин. Его основная функция – это перенос тироксина (гормон щитовидной железы) и ретинола (витамин А) в сыворотке крови.

Геномный анализ показал, что активность гена транстиретина во многих клетках мозга после черепно-мозговой травмы повышена. Ученые предположили, что гормон щитовидной железы – тироксин – может стать потенциальной мишенью транстиретина.

Исследователи пытались лечить животных тироксином через 1 и 6 часов после травмы головного мозга и увидели, что животные гораздо лучше справлялись с логическими задачами по сравнению с животными, получавшими плацебо.

Кроме того, команда ученых по генетической активности идентифицировала 15 групп клеток. Две из них ранее не в гиппокампе не описывались, и их назвали «Неизвестный» и «Неизвестный 2». Анализ генетического профиля всех этих клеток показал, что они среагировали на травму, но и ответили на лечение. Именно по этой причине авторы работы считают, что такое выборочное изменение экспрессии генов разных видов нейронов после травм предполагает некие скрытые патогенные механизмы и пока малоизвестные терапевтические пути, одним из которых и стал тироксин. Он воздействует на элементы регуляции транстиретина (в том числе на его транспортер) и смягчает ЧМТ-ассоциированные геномные и поведенческие аномалии.

Также выяснилось, что нейроны группы «Неизвестный» были вовлечены в клеточный рост и миграцию, а клетки группы «Неизвестный2» занимались клеточной дифференцировкой. И несмотря на то оба типа клеток имеют сходную структуру и форму, их функции могут отличаться, а как – еще только предстоит выяснить.

В будущем ученые собираются изучать реакцию на черепно-мозговые травмы и других нейронов за пределами гиппокампа. К тому же, конечно, необходимы и дополнительные исследования для того, чтобы объяснить отсроченные эффекты черепно-мозговой травмы.

Текст: Анастасия Тихомирова

Источник

Исследователи из Имперского колледжа Лондона и Кембриджского университета впервые наблюдали за тем, как растут нейроны и образуются связи между ними после переноса клеток из мозга человека в мозг мыши. Эксперимент, статья о котором опубликована в журнале Science (новый выпуск которого полностью посвящен нейронаукам) максимально приближен к естественным условиям и проведен с помощью клеток, полученных от пациентов с синдромом Дауна.

Ученые утверждают, что такую технологию пересадки можно использовать для изучения и многих других заболеваний головного мозга и психической сферы, включая шизофрению, деменцию и аутизм.

Эксперимент показал: несмотря на то что среди нейронов у пациентов с синдромом Дауна связи могут оставаться крепкими, с когнитивными нарушениями, характерными для этого заболевания, может ассоциироваться сниженная согласованность в работе. Еще стоит отметить, что в самый важный момент своего развития нейроны больных синдромом Дауна не так активны, как нейроны здорового человека – возможно, и это влияет на проявление некоторых симптомов заболевания.

При синдроме Дауна, а также деменции и болезни Паркинсона чаще первыми страдают именно связи между нейронами, причем задолго до гибели самих клеток. Чтобы увидеть межнейронные взаимодействия – а они настолько тонкие, что ни МРТ, ни ПЭТ их не фиксирует – исследователи использовали двухфотонный лазерный микроскоп in vivo (in vivo 2-photon microscopy).

Нейроны создали из клеток кожи двух пациентов с синдромом Дауна с помощью технологии обратного инжиниринга, и уже затем вживили их в мозг мышей и следили за их развитием в режиме реального времени. Авторы заметили, что нейроны не только создали сложные системы сетей, но и начали «общаться» между собой почти так же, как и нейроны здорового человека, к тому же намного быстрее, чем ожидалось.

Но исследователи не спешат с окончательными выводами: пока что сложно скахать, в какой степени пересаженные клетки воспроизводят сложные структуры человеческого мозга. Теперь они хотят улучшить технологию, чтобы изучать и другие неврологические заболевания.

Текст: Морозова Анна

Источник

Сегодня стали известны лауреаты премии Breakthrough Prize, которая присуждается фондом, донорами которого стали Юрий и Юлия Мильнеры, Сергей Брин, Марк Цукерберг и другие миллионеры. Общий размер премии составляет 22 миллиона долларов. Премия вручается за достижения в области наук о жизни, фундаментальной физики и математики.

Среди девяти исследователей, которые разделят эту сумму – биохимик Франк Беннетт (Frank Bennett) из Ionis Pharmaceuticals и фармаколог Эдриан Крейнер (Adrian Krainer) из лаборатории Колд Спринг Харбор (там где работает первооткрыватель структуры ДНК Джеймс Уотсон). Они прославились как создатели первого эффективного метода лечения спинальной мышечной атрофии. Это редкое наследственное нейродегенеративное заболевание поражает моторные нейроны передних рогов спинного мозга. В результате СМА – одна из самых распространенных причин детской смертности, вызванной наследственными заболеваниями.

Беннетт и Крейнер разработали способ подавления активности мутантных генов антисмысловыми РНК и довели технологию до первого одобренного FDA препарата – нусинерсен был допущен для клинического применения в 2016 году.

Как отмечают исследователи, работа также открыла путь для возможности новых методов лечения с использованием методов подавления экспрессии генов болезни Гентингтона, бокового амиотрофического склероза, спиноцеребеллярной атаксии, болезней Паркинсона и Альцгеймера.

Беннетт вырос в отеле своей семьи, в Ацтеке, штат Нью-Мексико. Он целенаправленно начал изучать фармакологию ради поиска лекарств от действительно ужасных болезней. Крейнер вырос в Монтевидео, Уругвай, будучи сам восточноевропейского происхождения. Он восхищался работами Грегора Менделя и, еще будучи старшеклассником, развил интерес к генетике.

Беннет и Крейнер, ранее уже зная о работе друг друга, объединили свои усилия в 2004 году для исследования СМА и сотрудничают с тех пор.

Текст: Алексей Паевский

Источник

Представители Исследовательского института Скриппс разработали эффективную схему избавления от никотиновой зависимости. Они модифицировали один из бактериальных ферментов таким образом, что он разрушает никотин еще до того, как тот попадает в мозг. Пока, правда, способ, описанный в журнале Science Advances, проверили только на животных.

Одна из причин, по которой избавиться от никотиновой, алкогольной или иной зависимости очень сложно – пресловутый абстинентный синдром, из-за которого человеку становится физически плохо, а помогает лишь повторное принятие этого вещества. Тем не менее сгладить последствия этого синдрома можно, и способы, которые позволяют снижать концентрацию вещества в крови постепенно и без резких реакций вплоть до полной свободы от зависимости, считаются наиболее перспективными.

Авторы работы модифицировали природный фермент, продуцируемый бактерией Pseudomonas putida, и превратили его в фермент NicA2-J1. В своих предыдущих исследованиях они уже показали, что введение этого вещества зависимым от никотина крысам снижает уровень никотина в их крови. Однако, они проверяли вещество лишь на простой модели зависимости и в этой работе решили посмотреть, как ведут себя животные, когда у них есть постоянный доступ к наркотическому веществу.

Для начала крысы проводили по 21 часу в течение 12 дней в специальном боксе, где находилась кнопка, при нажатии на которую животное могло обеспечить себя очередной внутривенной дозой никотина. Таким образом грызуны сами у себя развивали зависимость.

На следующем этапе животным давался доступ к кнопке уже через каждые 48 часов, а в «безникотиновых» периодах исследователи могли наблюдать классический абстинентный синдром. Об этом говорило и то, что как-только крысы получали возможность добраться до никотина, они потребляли его гораздо больше, чем обычно. Кроме того, грызуны активно искали вещество, следуя компульсивной реакции системы подкрепления, которая подталкивает и людей на то, чтобы сдаться и получить новую дозу.

Животным из контрольных групп вводили разные дозы фермента NicA2-J1, и максимальный положительный эффект отмечался на самой большой дозе, составляющей 10 мг/кг. Животные продолжали нажимать на кнопку, как только попадали в бокс, но в их крови содержалось намного более малая концентрация никотина, чем у животных их группы контроля, а в «безникотиновых периодах» они вели себя гораздо более спокойно и слабее реагировали на болевые ощущение, что говорит о слабости и почти полном отсутствии абстинентного синдрома.

 «Это как если бы они курили 20 сигарет, но получали дозу никотина, эквивалентную только одной или двум. Это делает процесс отмены никотина гораздо менее суровым», — отмечает ведущий автор работы, докторант-исследователь Марсида Каллупи (Marsida Kallupi).

Но даже такая большая доза, которая сильно снижала количество никотина, доходившее до мозга, не действовала на животных негативно и не вызывала синдром отмены – патологические реакции организма на слишком резкий отказ от препарата, вызвавшего зависимость. Авторы отмечают, что в этом и есть уникальность фермента – он удаляет из кровеносного русла достаточное количество никотина, чтобы притупить зависимость, но оставляет достаточно для того, чтобы животные не мучались.

Также действие NicA2-J1 позволяло отучить крыс нажимать на никотиновую кнопку, если между инъекциями добавлялось 30 процентов ударов током. Животные же из контрольной группы вне зависимости от электрического воздействия продолжали себя удовлетворять и одновременно мучать. То есть опыт показал, что фермент достоверно снижает компульсивность. Кроме того, повторно зависимость у экспериментальной группы не удалось вызвать даже через 10 дней после «воздержания», тогда как контрольные животные снова начинали активно жать на кнопку.

Исследователи надеются в скором времени запустить первый этап клинических испытаний, а пока модифицируют препарат для использования людьми. Также они планируют провести сравнительное испытание его с препаратом варениклин (Чампикс), который блокирует никотиновые пути в мозге и на сегодняшний день считается одним из самых эффективных в борьбе с табакокурением.

Текст: Анна Хоружая

Источник

Архитектура нейронных связей у всех людей отличается, и с этим неразрывно связано то, насколько быстро они способны решать различные когнитивные задачи. Исследователи из Университета Буффало создали новый научный инструмент, который позволяет моделировать математические (электронные) макеты связей в мозге, основанные на результатах трактографии каждого конкретного человека. Подробности изложены в журнале PLOS Computational Biology.

Формирование нейронных связей в нашем мозге происходит как во внутриутробном развитии, так и в течение всей нашей жизни. И весь тот «рисунок», который получается в итоге, сугубо индивидуален, поскольку нет в развитии путей повторяющихся. Естественно, все люди из-за этого будут обладать, несмотря на общность происхождения, своими специфическими чертами и возможностями, например, в скорости мышления, запоминании и других когнитивных задачах.

Все это известно, но изучено до сих пор недостаточно. И ученые под руководством математика Сары Малдун (Sarah Muldoon) из Университета Буффало сделали такой инструмент, который позволил собрать данные об организации нервных трактов белого вещества в мозге конкретного человека, связности между собой разных его зон и построить из них виртуальную модель конкретного мозга для того, чтобы изучать на нем различные процессы и проверять действие тех или иных методик (например, ТМС). В работе основное внимание уделили именно взаимосвязям, то есть тому, как разные области взаимодействуют друг с другом и формируют поведение.

В этом исследовании изучили то, как мозг работает над языковыми задачами. Десяти добровольцам провели диффузную тензорную трактографию (метод диагностики,  вариант МРТ, позволяющий изучить положение нервных связей в мозге, их количество, направление и тд). Данные загрузили в программу и создали 10 индивидуальных математических моделей, на который в дальнейшем изучали in silico работу мозга. В первую очередь ученых интересовало то, как легко нейронные сети переходят в состояние активности, а также то, какие области мозга «объединяются», когда стимулируется левая нижняя лобная извилина на границе с височной долей (зона Брока, отвечающая за произнесение слов).

Оказалось, что уровень нейронной связности и «синхронности» напрямую влияет на то, как быстро люди могут выполнять языковые задачи. В этой работе изучались три: скорость и точность подбора аналогий (первый пришедший на ум глагол, подходящий к названному существительному); правильное заполнение пропуска слова в предложении и скорость чтения большого числа. При этом каждый участник выполнял каждую задачу несколько раз до и после сеанса транскраниальной магнитной стимуляции левой нижней лобной извилины.

Авторы считают, что разработка подобных персональных моделей мозговой активности может не только улучшить качество исследований в нейронауках, но и помочь развивать стимуляцию мозга в качестве лечения заболевания конкретного человека или в качестве средства, способного повышать производительность человека в различных задачах, опять же основываясь на его личных особенностях.

Текст: Анна Хоружая

Источник