Так называемая оптогенетика представляет собой метод, позволяющий управлять деятельностью мозга, иными словами, активировать или ингибировать определенный набор нейронов. Эта технология помогает ученым наблюдать за тем, как порождается определенная модель действий, мыслей или эмоций, а также исследовать причинно-следственные связи между деятельностью мозга и наблюдаемым поведением. Это открывает множество возможностей для изучения и лечения неврологических и психиатрических заболеваний в будущем, а также поднимает немало серьезных вопросов.

Этот метод основывается на внедрении в нейроны молекул, реагирующих на свет. Это достигается путем встраивания в геном клетки чужеродных генов (например, полученных из водорослей), которые кодируют светочувствительные белки (опсины). Таким образом, нейроны начинают менять свою активность в зависимости от уровня освещенности. Другими словами, они преобразуют свет в электрические импульсы, интерпретируя которые, мозг начинает действовать соответствующим образом. Управляя светом соответствующей частоты, можно активировать или отключить определенные группы нейронов, чтобы иметь возможность изучить, какое влияние они оказывают на познание, эмоции и поведение. Преимущество данного метода состоит в том, что его можно применять для изучения сразу целых групп определенных нейронов. Это открывает безграничные возможности для исследований и разработки методов лечения, которые только могут быть созданы на основе данного типа технологий. Хотя большинство экспериментов с оптогенетикой проводились на животных, полученные результаты имели колоссальное значение для понимания поведенческих моделей человека.

Какую пользу можно извлечь из технологии оптогенетики? Она уже использовалась в различных областях исследований с потенциальным клиническим применением. К примеру, ее применяли для контроля над классом нейронов, называемых гипокретиновыми клетками, отвечающими за расстройства сна и развитие нарколепсии. Она также помогла лучше понять болезнь Паркинсона. Благодаря тестированию технологии на животных удалось более точно воспроизвести мозговые цепи, пораженные данным заболеванием, и понять механизмы действия терапевтического вмешательства, связанного с глубокой стимуляцией мозга. Кроме того, применение оптогенетики помогло определить, как нейроны, продуцирующие дофамин, вызывают чувство удовольствия и запускают в мозге процесс обработки вознаграждения. Все это – результаты, которые имеют непосредственное отношение к изучению таких патологий, как депрессия и злоупотребление психоактивными веществами.

Изучение агрессивного поведения является еще одной областью, в которой данная технология позволяет добиться впечатляющих результатов. Агрессия представляет собой естественный инстинкт у живых существ, в том числе и у людей. Она помогает нам адаптироваться к окружающей среде и защитить себя от потенциальной опасности и вреда. Однако агрессия может стать серьезной проблемой в случае ее перехода в плоскость проявления насилия. Нейробиологи из разных уголков мира изучают области мозга и нейронные связи, которые контролируют агрессивные импульсы, и в последнее время с этой целью начали все чаще внедрять методы оптогенетики.

Именно в этой области исследований Дэвид Андерсон и его сотрудники из Калифорнийского технологического института изучают взаимосвязь между отделами мозга, отвечающими за агрессию, и теми, что контролируют сексуальное поведение. В результате экспериментов с участием животных ученым удалось выяснить, что, несмотря на кажущуюся взаимоисключаемость этих типов поведения, оба они связаны между собой и усиливают друг друга. Именно в период спаривания в животном мире агрессивное поведение находится на максимальном уровне. Это открытие послужило толчком к тому, чтобы как можно глубже изучить задействованные механизмы мозга, сосредоточенные в области, называемой гипоталамусом. Было отмечено, что один набор нейронов гипоталамуса активировался, когда животные дрались между собой, а другой – когда они спаривались с особью другого пола. И что самое удивительное, порядка 25 процентов и той, и другой группы нейронов были активны во время проявления и того, и другого типа поведения. Впоследствии для лучшего понимания специфической роли этих нейронов исследователи использовали технику оптогенетики, чтобы получить возможность включать и выключать данные нейроны с временным интервалом в миллисекунды, а также записать их влияние на поведение животных. В ходе первого эксперимента они помещали грызуна в клетку рядом с неодушевленным предметом (резиновой перчаткой) и стимулировали нейроны агрессии. Тем самым они искусственно убеждали его нападать на объект. Затем ученые провели еще один эксперимент, чтобы проверить, участвуют ли те же самые нейроны в естественном агрессивном поведении. С этой целью в клетку, где уже обитало одно животное, они поместили второго грызуна. В таких условиях животное почувствовало вторжение на свою территорию и, естественно, атаковало вторгшегося грызуна. Исследователи также отметили, что в тот момент, когда активность нейронов агрессии купировалась при помощи оптогенетики, борьба автоматически прекращалась. Это доказало, что именно эти нейроны непосредственно отвечают за проявление агрессивного поведения. И это еще не все. Манипулируя активностью нейронов, ученые обнаружили нечто очень важное. Для активирования агрессивного поведения требовалась высокоинтенсивная световая стимуляция, в то время как стимуляция меньшей интенсивности запускала процесс спаривания. Световая стимуляция оказалась напрямую связана с электрической активностью. Это означало, что в состоянии высокой активности нейроны вызывали агрессию, в то время как в состоянии низкой активности они запускали механизмы сексуального поведения. Испытывая на себе низкий уровень стимуляции, грызун пытался вступить в сексуальный контакт. Всего лишь модулируя интенсивность световой стимуляции в этой области мозга, ученые могли вызывать агрессивное поведение, смесь агрессии и сексуального поведения или просто сексуальное поведение. (Результаты данных исследований были получены в контролируемых лабораторных условиях и, следовательно, должны рассматриваться исключительно в этом контексте. Это лишь первые шаги, сделанные с использованием новейших технических разработок, поэтому любая иная трактовка результатов может оказаться поспешной и опрометчивой).

Оптогенетика также используется для исследований механизмов формирования воспоминаний. Как мы уже упоминали в предыдущих главах, память не работает по принципу видеокамеры, точно записывая переживаемые события. Она представляет собой весьма пластичную и изменчивую когнитивную функцию, всегда готовую воспринимать и обрабатывать новые данные. Понимание того, как работают память и связанные с ней отделы мозга, является ключевым. С одной стороны, это позволяет нам четко определять проявление искажения памяти и иллюзий, представляющих собой симптомы различных когнитивных нарушений и таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера, чтобы разрабатывать новые методы и стратегии лечения. С другой стороны, знания о функционировании памяти и формировании ложных воспоминаний имеют потенциальное применение для правовой системы, например, в отношении использования в качестве доказательств воспоминаний свидетелей.

В этой области исследований эксперимент с использованием оптогенетики, проведенный нейробиологом Сусуму Тонегава из Массачусетского технологического института, показал, как ложные воспоминания могут формироваться у грызунов, что лишний раз доказало пластичность функции памяти. В ходе эксперимента исследователи помещали грызуна в клетку, где животное чувствовало себя защищенным от неприятных стимулов, и, используя генетическую технику, помечали клетки мозга в области гиппокампа, где хранились воспоминания о пребывании в этом безопасном месте. На следующий день это же животное помещали в совершенно другую клетку, где оно получало отрицательные стимулы, и параллельно оптогенетическим методом при помощи света стимулировали те клетки мозга, которые активно работали, когда животное находилось в других условиях, то есть клетки, обладающие физическим представлением о безопасном контексте. Цель заключалась в том, чтобы опосредованно связать неприятный опыт с воспоминанием о первой клетке, где грызун чувствовал себя в безопасности. Некоторое время спустя животное снова поместили в первую клетку. Что же произошло на этот раз? Животное демонстрировало признаки страха вплоть до состояния оцепенения. Это позволило сделать вывод, что его мозг начал генерировать ложные воспоминания о негативном опыте в данной клетке, которого никогда не было. Несомненно, результаты всех этих экспериментов имеют трансцендентные клинические последствия. Но они также порождают новые вопросы и дебаты. Оптогенетика – это область, которая пока еще находится в разработке. Возможность манипулировать активностью определенных наборов нейронов с временными интервалами высокой точности значительно увеличила наши знания о мозге. Такие технологии могут революционизировать методы лечения неврологических и психических заболеваний. Тем не менее мы должны проявлять осторожность, чтобы не попасть в ловушку редукционизма в том, что касается наших выводов о работе мозга. Человеческий мозг является самым сложным органом во Вселенной, и мысли, чувства и поведение представляют собой результат его неустанной деятельности – активности порядка 100 000 миллионов нейронов, выстраивающих между собой взаимосвязанные сети. Знания о том, как работают отдельные нейроны или отдельные группы нейронов, недостаточно для того, чтобы объяснить, как функционирует человеческий разум. Сегодня людям под силу разобраться лишь в небольшой части того, что проявляется в результате организованной и скоординированной работы нейронных сетей в рамках определенного контекста, в котором находится человек. Поэтому крайне важно с ответственностью подходить к распространению информации о последних научных достижениях, не забывая указывать на их ограничения и избегать утверждений, не имеющих твердых доказательств, равно как и не допускать применения преждевременных разработок и методов на практике.

Технологии в сфере нейробиологии порождают новые философские дебаты, касающиеся фундаментальных вопросов. Если в будущем можно будет изменять умственную деятельность с помощью стимуляции мозга, возможно, перед людьми возникнут вопросы о собственной личности и о том, какую ответственность мы несем за свои действия.

Самым любопытным аспектом в механизме управления нейронами головного мозга при помощи света является момент его открытия. Как уже было сказано выше, оно стало возможным благодаря исследованию реакции на свет в клетках зеленых водорослей, проведенному Питером Хегеманном из Института Макса Планка в Германии. Примеры, подобные этому, лишний раз доказывают, насколько важно инвестировать в фундаментальную науку, даже если не всегда сразу очевидно, какие конкретные выгоды мы можем почерпнуть из них в будущем.