Нейронаука — наука, изучающая устройство и функционирование нервной системы. О том, что происходит сейчас в этой области, как она развивается в России и за рубежом мы побеседовали с известным специалистов в этой области - заведующим лабораторией в Институте Мозга РИКЕН (Япония), профессором Нижегородского государственного университета Алексеем Васильевичем Семьяновым. Интервью взяла Яна Войцеховская.
Где находится передний край нейронауки, какие проблемы она решает сегодня?
Нейронаука приобретает особое значение по нескольким причинам, и одна из них – медицинская. В настоящее время основными причинами смертности являются сердечно-сосудистые заболевания, раковые заболевания и патологии головного мозга. Раковые заболевания на сегодняшний день очень интенсивно исследуются. В эти исследования вкладываются огромные средства и, видимо, в скором времени будут созданы лекарства, позволяющие лечить людей от рака. Уже сейчас некоторые формы рака поддаются лечению, особенно при своевременной диагностике. А вот до лечения заболеваний мозга нам еще далеко. Болезнь Альцгеймера, эпилепсия, шизофрения, инсульты, травмы головного мозга, как правило, приводят к необратимой дегенерации ткани.
В современном мире продолжительность жизни человека увеличивается, и возникают проблемы, связанные со старением мозга. Мозг имеет ограниченную способность к восстановлению, новые нейроны возникают только в ограниченных участках мозга, поэтому утерянные функции мозга восстанавливать очень сложно. С возрастом эта способность только снижается, что приводит к ухудшению функций мозга.
Кроме медицинского аспекта, нейроученых интересуют и фундаментальные процессы кодирования, обработки и хранения информации в мозге. Если мы узнаем, каким образом происходят эти процессы, мы сможем говорить об интерфейсе мозг-компьютер, о мозгоподобных компьютерах и о создании искусственного интеллекта. Например, в автоматизации есть задачи синхронизации элементов сложных систем и анализа большого числа параметров, нелинейно влияющих друг на друга, которые крайне сложны для современных компьютеров. Поэтому нам нужны пилоты самолетов, авиадиспечеры, машинисты поездов. Мозг пока остается самым лучшим компьютером, решающим подобные задачи.
Могли бы вы привести конкретный пример задачи, которой занимается ваша лаборатория?
Мы занимаемся исследованиями процессов, происходящих в головном мозге на клеточном уровне. Именно на клеточном и молекулярном уровне происходит кодирование и хранение информации в мозге, именно на этом уровне действуют лекарства. В мозге есть два основных типа клеток: нейроны и глия. До последнего времени только нейроны рассматривались как клетки, которые передают сигналы в мозге. Именно они способны к генерации электрической активности и связаны друг с другом посредством химических синаптических контактов. Электрическую активность больших групп нейронов можно зарегистрировать даже с помощью электродов, приложенных к коже головы – на этом основан метод электроэнцефалографии. Нейроны организованы в сложную сеть, в которой сигнал передается от клетки к клетке. Исходя из этих знаний, долгие годы велись разработки фармакологических препаратов влияющих исключительно на возбудимость нейронов или на синаптическую передачу.
Открытия последних лет показали, что в мозге помимо электрических сигналов в нейронах и синаптической передачи (от точки к точке) есть некоторый управляющий внесинаптический химический сигнал, который иногда называют объемной передачей сигнала. Мы считаем, что этот сигнал пространственно неоднороден и служит своего рода шаблоном для работы нейронных сетей, и определяет какие из нейронов в сети “включить”, а какие “выключить”. Любопытно, что этот шаблон формируется как результат активации не только нейронов, но и глии, тогда как в классической теории эти клетки рассматриваются как вспомогательные. Эта гипотеза заставляет принципиально по-новому взглянуть на принципы обработки и хранения информации в мозге, предложить новые фармакологические препараты. Мы надеемся, что такие препараты будут более эффективны в лечении в настоящее время неизлечимых патологий мозга.
Можно ли в мозге локализовать зону, область, где находится "я", личность человека?
Говорить об этом пока можно лишь на очень примитивном уровне. Например, мы знаем, что разрушение тех или иных областей мозга нарушает ту или иную его функцию. Например, если удалить гиппокамп, структуру мозга, отвечающую за память, то человек перестанет запоминать новую информацию, но он будет помнить, что с ним было когда-то раньше. Другими словами, человек окажется в "дне сурка", когда он просыпается каждый раз в одном и том же дне.
Классический случай был описан с Генри М., пациентом клиники в штате Коннектикут, США, в 1953 году. Генри страдал эпилепсией и в качестве лечения ему удалили левый и правый гиппокампы. После операции он потерял способность формировать новую семантическую память, память которую можно выразить словами. Например, он каждый день заново узнавал о смерти своей матери и плакал. При этом моторная память у него сохранилась. Он выучился после операции играть в настольный теннис. Но когда его спрашивали, может ли он играть в настольный теннис, он отвечал что нет. Зато когда начинал играть, способность сразу появлялась. Этот пример показывает, что мы можем обнаружить структуры мозга, связанные с формированием личности человека. Несомненно, развитие личности Генри М. остановилось с потерей семантической памяти. С другой стороны, некоторые функции мозга могут быть не локализованы в каком-то специфическом месте, а распределены.
Подход, при котором необходимо разрушить структуру мозга, чтобы понять ее функции, достаточно груб и больше не используется. Современные исследования направлены на выявление более тонких механизмов, а методы становятся менее инвазивными. Но чтобы изучать такие тонкие механизмы, требуются высокочувствительные приборы, работа на которых нетривиальна и требует специальных знаний. Нейронаука, некогда биологическая дисциплина, стала мультидисциплинарной. В современном нейронаучном исследовании ключевую роль стали играть физики, так как лабораторное оборудование подразумевает наличие глубоких знаний физики и математики, методы анализа экспериментальных данных стали физическо-математическими.
Появилась даже теоретическая нейронаука (которую в России называют иногда нейродинамикой). Теоретическая нейронаука занимается моделированием процессов, происходящих в мозге и пользуется математическими методами. Таким образом, нейронаука - это специфическая область знаний, которая, объединяет биологию, химию, физику, математику для познания мозга, а через него и человеческой личности.
Есть ли в России какие-либо передовые направления в нейронауке, лаборатории, институты?
В России нейронаука активно развивалась до кризиса, наступившего после Перестройки. Основные центры сформировались в Санкт-Петербурге, Москве, в Пущино, в Казани. Современная нейронаука требует дорого и высокотехнологического оборудования. Стоимость одного современного исследовательского комплекса может превышать миллион евро. Таких денег лаборатории в России долгое время не могли получить, в отличие от лабораторий в других развитых странах, и по этой причине разрыв в уровне исследований, проводимых в России и за рубежом значительно вырос. До этого сильная Российская нейронаучная школа еще могла некоторое время себя поддерживать за счет оригинальных идей и нетрадиционного использования устаревших методов. Но всему есть предел. Сейчас, при увеличении государственного финансирования, некоторые лаборатории снова набирают силу, приходят молодые люди, но выйти снова на передовой уровень, несомненно, очень сложно.
Один из позитивных примеров, о котором я хочу рассказать в этом контексте, это пример Нижегородского государственного университета. В Нижнем Новгороде проводились интересные нейробиологические исследования, но нейронаука там не получила столь существенного развития, как в ранее указанных центрах. Тем не менее, в 2005 году в Нижегородском государственном Университете открылась кафедра Нейродинамики и нейробиологии, сотрудником которой я являюсь. Когда университет получил большой грант в рамках национального проекта “Образование”, нашей кафедре была выделена сумма, эквивалентная миллиону евро. На эти деньги мы формируем учебную нейронаучную лабораторию, которая будет оснащена современным оборудованием, аналогов которого сейчас в России нет.
Недавно Нижегородский государственный университет подписал договор о сотрудничестве с японским Институтом Мозга РИКЕН - одним из крупнейших центров нейронауки в мире. Поскольку в Нижнем Новгороде не было эквивалентного центра нейронаук, было необходимо убедить японских ученых, что мы имеем потенциал таким центром стать. Это произошло во многом благодаря усилиям физиков, которые имеют в Нижнем Новгороде традиционно сильную школу.
Более того, лаборатория, которую мы создаем на кафедре Нейродинамики и нейробиологии, является "зеркальной" с моей лабораторией в Институте Мозга РИКЕН. Это значит, что она построена по определенному принципу, подразумевающему глубокую интеграцию исследований обеих лабораторий. В Нижнем Новгороде мы купили оборудование, похожее на то, которое есть в Японии. Благодаря этому мы сможем запустить его в сжатые сроки благодаря уже имеющемуся опыту. Закупка и отладка оборудования - это первый и весьма сложный этап создания новой лаборатории. Как правило, он занимает достаточно долгое время, от многих месяцев до нескольких лет. Это при наличии опыта работы. Люди, не работавшие с современным оборудованием, его даже не в состоянии правильно подобрать. Мне известны примеры, когда установки стоимостью свыше миллиона долларов не используются должным образом из-за ошибок в выборе конфигурации на этапе покупки. Создание в Нижнем Новгороде “зеркальной” лаборатории означает, что мы точно знаем, что и как будет работать.
Второй еще более сложный этап создания новой лаборатории - это поиск сотрудников, способных работать на приобретенном оборудовании. Если аналогов закупленного оборудования нет в России, следовательно, и специалистов тоже. И здесь снова проблему решает “зеркальная” лаборатория. Сотрудники из Нижнего Новгорода будут проходить обучение в Институте Мозга РИКЕН в рамках национального проекта “Образование”.
Наконец, когда оборудование работает и есть специалисты способные на нем работать, руководитель лаборатории должен суметь поставить задачу мирового уровня, которая решалась бы в такой лаборатории. Для постановки подобной задачи необходимо читать последние международные научные журналы, посещать международные конференции. Такие ученые в России есть, но не так уж много. Зато есть наши соотечественники, работающие за рубежом, которые могли бы быть полезны со своим опытом. Отсюда следует, что было бы весьма разумным распространить опыт Нижегородского государственного университета, по созданию подобной лаборатории и предложить создание нейронаучного центра из многих “зеркальных” лабораторий.
Значит, принцип "зеркальной" лаборатории – это создание аналога?
Не совсем аналога. У нас не было задачи просто скопировать зарубежную лабораторию. Нашей целью было создать нечто лучшее и дополняющее. Например, мне как руководителю лаборатории в Институте Мозга РИКЕН было бы не интересно сотрудничать с лабораторией - точной копией. Зачем, если я все могу это сделать там, имея уже обученных сотрудников и поставленные экспериментальные задачи. Хотелось создать научно-исследовательский комплекс, который бы несколько отличался и, таким образом, давал возможность расширить спектр экспериментальных методов. С другой стороны, нельзя было создать что-то сильно отличающееся, так как тогда мы не сможем обучить в Японии сотрудников Нижегородской лаборатории. Таким образом, есть некоторая “золотая середина” в плане сходства и различия “зеркальных” лабораторий.
Возможна ли такая система без государственного финансирования? Можно ли это делать за счет каких-то международных грантов?
Конечно, нет. В современном мире только государство способно финансировать национальную систему образования и фундаментальную науку. Для этого должна работать специальная федеральная программа, ориентированная на поддержку подобных учебно-научных лабораторий. Оборудование, обучение сотрудников, зарплаты, позволяющие избежать “утечки мозгов”, реактивы и расходные материалы стоят очень дорого. Например, в Нижегородской лаборатории одна установка стоит миллион евро, а работать на ней может одновременно лишь один человек. Это серьезная единовременная инвестиция. Несколько десятков лабораторий в мире оснащены подобным оборудованием, но им для этого понадобилось много лет стабильного государственного финансирования науки, и получение ряда научных грантов.
В России мы задались целью с нуля воссоздать передовую науку. Поскольку мы хотим это сделать быстро, то нужны большие государственные инвестиции. Причем мы должны инвестировать не только в оборудование, но и в мозги людей, которые умеют на нем работать. И лучшими кандидатами являются наши соотечественники, которые живут за рубежом.
Хотя ситуация различается в разных областях наук. Что важно для биомедицинских исследований, может быть неважно для астрономии. Например, Андрей Михайлович Финкельштейн считает, что ситуация в астрономии не требует привлечения соотечественников, работающих за рубежом. Таким образом, астрономические исследования в России, возможно, требуют меньшего государственного финансирования. Другими словами, необходимо провести мониторинг и определить приоритеты распределения государственных средств, как с точки зрения национальных интересов, так и с точки зрения состояния дел в той или иной отрасли наук.
Есть ли мировой опыт создания "зеркальных" лабораторий?
Я знаю, по крайней мере, нескольких нейроученых, которые имеют лаборатории одновременно в разных странах, например, в США и Великобритании или в США и Китае. Таким образом, идея “зеркальных” лабораторий не нова. С их слов и из собственного опыта могу сказать, что руководить двумя лабораториями, расположенными на разных континентах довольно тяжело. Например, известный нейроученый Му Минг Пу руководит институтом в Китае и работает в США. Он летает туда и обратно каждый месяц. Для такого нужна сильная мотивация и здоровье. Я летаю только раз в три месяца, но пока и институтом не руковожу.
Но ведь наука интернациональна. Зачем тратить в России деньги на такие дорогие проекты, когда уровень жизни и так недостаточный? Может, не стоит создавать в России такие лаборатории, так как наши ученые и так могут работать на западе, и мы можем выращивать соответствующие кадры?
Во-первых, мы не сможем вырастить кадры, если не будет своей науки. Кто их будет готовить? Преподаватели могут быть квалифицированными, если только они сами активно занимаются наукой. Если у нас не будет современной науки, то вопрос о кадрах можно закрыть. Нельзя учить студентов тому, чего сам никогда не делал.
Во-вторых, наука имеет абсолютно определенные экономические выгоды для государства. Например, "японское чудо" случилось потому, что японцы стали инвестировать в технологии. У них не было нефти и газа, которые есть у России, поэтому Япония была очень бедной страной. Японцы подняли экономику за счет инвестиций в высокие технологии. Сначала это было государственной задачей, а сейчас даже частные компании занимаются этими технологиями, так как они поняли, что в это нужно инвестировать и что в будущем это может принести прибыль.
В России наблюдается похожая тенденция: нефтедобывающие и нефтеперерабатывающие компании инвестируют в технологии добычи и обработки нефти. Но еще не пришло понимание того, что можно инвестировать не только в эти технологии, но и в другие, например, в биомедицину: в разработку лекарств, в создание протезов для людей и так далее еще.
По поводу интернациональности науки: если ученые открыли что-то важное, что может принести экономическую пользу, это будет запатентовано, прежде всего, в той стране, где сделано открытие. В этой же стране появятся компании, которые будут использовать патент и получать прибыль, платить налоги и т.д. Так происходит, например, в США или Великобритании. Знание принадлежит всем, но патент и деньги от этого патента в первую очередь принесут пользу той стране, где была сделана разработка. Кроме того, есть разработки оборонного характера и здесь пояснений не требуется: вряд ли другие страны будут ими делиться с Россией
Почему до японского государства дошло, что нужно вкладывать в науку и что, по-вашему, должны делать ученые, чтобы наладить подобный диалог с государством и обществом?
Одна из вещей, которой учат студентов в США, это способность донести свои знания до публики, до простых людей. Наука – специализированная область жизнедеятельности человека со своим собственным языком. Поэтому задачей ученых является доказательно и понятным языком объяснить, почему налогоплательщики должны отдавать свои деньги для того, чтобы финансировать науку. Многие зарубежные научные фонды для получения грантов требуют ставить фундаментальную научную задачу таким образом, чтобы результат ее решения помогал справиться с какой-то прикладной задачей. Например, при подаче на такой грант нейроученый должен указать, что помимо фундаментальной значимости, его исследование поможет людям, перенесшим инсульт. Причем, это должно быть не абстрактное утверждение, а предлагаться конкретные шаги по его реализации и возможно, проводиться клинические испытания. Потом ученые рассказывают о своих результатах по телевидению или по радио, и людям становится понятно, зачем нужны эти исследования. Так формируется общественное мнение.
Задача диалога с правительством ставится немного по-другому. Правительственные чиновники должны произвести экономическую оценку тех или иных инвестиций. Им необходимо посчитать, сколько будут стоить для бюджета инвестиции в науку, спрогнозировать результаты и возможную прибыль. Для этого есть специальные методы: нетрудоспособность населения в результате заболеваний, инвалидности, старости стоит государству определенных денег, которые вкладываются в систему здравоохранения, пенсионную систему, социальные льготы и т.д. Если наука найдет средства лечения определенных заболеваний, продления активной жизни населения и т.д., то государство сможет меньше тратить на здравоохранение, увеличить пенсионный возраст и т.д. Задача ученых в данном случае донести до правительственных чиновников значимость своих исследований для государства. Это уже задача высокопоставленных ученых. Но они, будучи людьми старой закалки, не всегда знают, как это сделать, поэтому решением в данной ситуации является стимуляция карьерного роста молодежи.