Човешкият мозък е една от най-загадъчните биологични структури. Може да си го представим като суперкомпютър и гигантска библиотека, но той може активно да изследва околната среда и да й въздейства. Сега ние знаем много за мозъка, но все още сме, за съжаление, безкрайно далеч от неговото напълно разбиране. Това не е отчайващо. Напротив, смятам, че е стимулиращо за невроучените. В невронауката има един много хубав девиз, че „ако ние търсим комплексната функция на мозъка да разберем, трябва да започнем да изучаваме основно неговите отделни функции”. За да разбираме функциите, необходимо е детайлно да изучим неговата структура на различни места. Детайлно.
Изучаването на формата и размерите на
невроните в мозъка
има дълга история, която започва в края на XIX век. Трябва да се отбележат резултатите на Рамон и Кахал, който детайлно описва много от тях. Много учени и научни групи са допринесли в тази насока. С помощта на имунохистохимията бяха установени много видове неврони в различни части на мозъка на експериментални животни, какъв медиатор използват, както и някои данни как се свързват. Бяха установени редица трансмитерни модулаторни дифузни системи в мозъка: видовете неврони, частите на мозъка, от които те започват, и докъде достигат. Все пак, за да се постигне истината за структурата и функцията на човешкия мозък, се нуждаем от много детайли. За да се постигне това, са необходими многогодишни усилия и огромни средства. През юли 2009 г. в САЩ бе създаден Human Connectome Project, който бе спонсориран от National Institutes of Health с около 40 млн. долара за 5 години. Целта на този проект беше да се направи „карта на връзките в мозъка“ (Connectome). По този начин, като се установи анатомичното и функционалното свързване между невроните в човешкия мозък, ще се получи съществена информация, която ще помогне при изследването на някои заболявания на мозъка като шизофрения, аутизъм, дислексия и болеста на Алцхаймер. Задачата не е лесна, бих казал дори, че е изключително трудна. Човешкият мозък е изграден от 90-100 милиарда неврона и над 100 трилиона синапси. За сравнение, мозъкът на мишка, любим модел на невроучените, има 70 милиона неврона и 100 милиарда синапси. Когато мислим за тези 100 милиарда неврони в човешкия мозък, трябва образно да си представим, че те са разположени на различни места в мозъка, като образуват невъобразими сплетения от аксони, дендрити, перикариони, глиални клетки, кръвоносни съдове. Както казват някои изследователи, това е невронална джунгла. Много невроучени приемат, че пълното разбиране на процесите в мозъка засега е неизпълнима мечта. Те отбелязват, че със средствата, с които ние разполагаме, ще са необходими хиляди години, за да се обработят наличните данни, което никой съвременен компютър не може да извърши. Информацията, която ще получим, е около 1000 екзабита, повече от натрупаната информация във всички Google-сървъри. Вероятно ще е необходимо редица данни да бъдат редуцирани.
Съществува правило в невронауката – за да се изучи много сложна структура, трябва да се потърсят и да се изследват подобни, но по-просто устроени структури. Изучава се нервната система на червеи и мухи, както и много малки части от мозъка на мишки и хора са картирани. Все пак това е началото на истинския дълъг път, който трябва да се извърви. Една от първите задачи за такова картиране на нервна система бе извършено върху нервната система на 1 mm дългия известен нишковиден червей Caenorhabditis elegans, която е изградена от 300 неврона. Това е продължило 14 години и е било завършено през 1986 г. Сега, разбира се, възможностите ни са много по-големи. Друга възможност, която сега се използва, е формирането на „малки мозъци“ с големина на грахово зърно в лабораторни съдове. Тези структури са много нееднородни и служат само като моделни органи. В някои техни части има прилика с някои структури на мозъка.
Едно от първите условия да разберем нещо повече за това как функционира мозъкът, е да се научим как около 1000 типа неврони, които се намират в мозъка, комуникират помежду си на различните „диалекти“, които използват. За да се постигне това, редица държави и държавни съюзи създадоха високо финансирани
проекти за изследване на мозъка
Проектът на САЩ BRAIN-Initiative, който е до 2027 г., е финансиран с 6,6 милиарда долара. Европейската комисия заедно с нейните партньорски организации създаде проекта Human Brain Project, който е финансиран с 607 милиона евро. Основната задача на проекта е да успеят да представят невроналните кръгове в мозъка на компютърна обработка и да провеждат експерименти на тези компютърни модели. А Япония предложи проекта Brain\MINDS (Brain Mapping by Integrated Neurotechnologies for Disease
Studies), финансиран с 40 милиарда йени (303 милиона евро). Главната цел на този проект е да се картират невроналните кръгове и мрежи в мозъка на примати (мармозетки). Тези три големи проекта са финансирани общо с над 7 милиарда долара. Много други страни са обявили такива проекти (Канада, Австралия, Южна Корея и Китай), но все още не са оповестили сумите, отпуснати за тези проекти.
Целта на тези проекти е да се изучи детайлно строежът на мозъка заедно със съответните функции. В основата на тези усилия стоят все повече стареещото население в света, което води до драстично увеличение на болестите на мозъка. Това изисква големи усилия и средства. Директорът на Националния институт по ментално здраве на САЩ Josh Gordon отбелязва, че ако ние знаем всички видове неврони в мозъка и как те си взаимодействат, ще можем да приложим напълно нови терапевтични методи. В САЩ 26 научни колектива са формирали BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN), като са направил огромен каталог на различните видове неврони. Това ще може да даде информация за видовете неврони, къде се намират и как са пространствено подредени. Принципът е, че нищо в изследването на мозъка няма да има смисъл, без да се знаят структурата и функцията на видовете неврони. Постепенно се натрупват данни как невроните се свързват помежду си и какви свойства имат тези невронални кръгове и мрежи.
Натрупваната генетична информация
за различните видове неврони е от съществен интерес – каква генна активност показват различните видове неврони. Още през 2006 г. бе създаден атлас на генната експресия, където е установено, че в мозъка на мишка са активни 21 000 гена. За да се получи тази информация, 50 сътрудници са работили 3 години. Тази информация продължава да се актуализира, за да има възможност да се установи каква роля има определен ген при съответната болест. Задачата сега е да се установят всички гени, които се експресират във всички неврони. По този начин учените ще могат, посредством генната експресия, да определят различни видове неврони по този показател. Създадена е технология, посредством която е възможно секвениране на РНК във всички клетки, което доведе в последното десетилетие до промени във всички области на биологията. Тази технология и други нови технологии ще позволят картиране и характеризиране на типовете неврони в мозъка. Изследователите са измерили съдържанието на РНК на 1,1 милиона неврона, като търсят да установят групи от неврони, които имат повече или по-малко РНК. Те допускат, че с помощта на транскриптомиката ще могат да установят свойствата на невроните. С помощта на този метод са установили големи прилики между човешкия мозък и мозъка на някои маймуни. Тези данни показват, че типовете неврони при различните видове са формирани по единен план, но всеки вид има своите вариации. При това има един вид неврони, които при болестта на Алцхаймер се увреждат селективно. В човешкия мозък има съотношение между възбудните и инхибиращите неврони, което се различава от това при мишки и мармозетки. Огромните възможности на човешкия мозък почиват на съвсем различни характеристики в сравнение с маймуните – много голям брой видове неврони, определено съотношение меж-
ду видовете неврони, броят и видовете синапсни контакти и много други. Установени са къси части от ДНК, които са специфични за съответните типове неврони. Тези секвенции от ДНК могат да служат като маркери за определени видове неврони. Теоретично е възможно след премахване на съответни части от ДНК да променим функцията на невроните. Това може да доведе до съответна генна терапия – да се замести един липсващ или дефектен ген. В Базел са направени такива стъпки. Вкарали са чувствителни на светлина протеини в нервните клетки на ретината на сляп пациент и са успели да върнат една част от зрението. При създаването на нови медикаменти при неврологични и психиатрични болести трябва да се съобразява на какъв вид неврони трябва да се повлиява. Josh Gordon отбелязва, че сегашните лекарства въздействат на всички видове неврони, без да знаем лекарството с кой вид неврони взаимодейства. Това обяснява защо при лечението с тези лекарствени средства в психиатрията и в неврологията има толкова странични ефекти, без да са виновни лекарите.
Изучаването на връзките между невроните е от най-съществено значение. Пълното картиране на тези връзки в нервната система на винената мушица – Drosophila melanogaster, ще бъде завършено още през тази година. Предстои 3D картиране на мозъка на мишка в САЩ, също така и в Япония, като се предвижда това да се извърши и на един вид малка маймуна. Има още няколко групи, които работят по такива проекти. Има и невроучени, които са скептични по отношение на тези проекти.
Все още липсва връзка между данните на различните изследователски групи. Още преди 4 години бе решено
да се осъществи обща програма
International Brain Initiative, чиято основна задача да бъде да се помогна на невроучените да събират всички данни от изследванията и заедно да ги анализират. Учените са единодушни, че човешкият мозък е най-загадъчната структура от активна материя в познатата Вселена. Все пак е ясно, че ако изучим hardware на човешкия мозък, ще се придвижим към разбирането на механизмите на неговата функция.
