[Проект «Атоми», присвячений талановитим українським науковцям, які творять не лише в Україні, але і за кордоном. Ми розповімо про їхні життєві шляхи, масштабні відкриття, а також проекти та дослідження, які змінюють світ.
Спецпроект створений за підтримки компанії SoftServe]
***
Незрячі від народження люди краще відчувають усе на дотик та мають чутливий слух. Тривалий час вважали, що мозок навчає інші органи чуття, опираючись винятково на досвід незрячої людини, — більше покладається на слух, намагається до усього «доторкнутися».
Та нещодавнє дослідження, опубліковане у престижному науковому журналі Nature Communications, стверджує, що усе влаштовано інакше. Виявляється, мозок «знає», що він «осліп», ще під час вагітності матері та вже з того моменту нарощує зони кори, що відповідають за слух і дотик.
Це відкриття створило новий напрям досліджень мозку і, можливо, допоможе підвищити якість життя незрячих людей. Одним із провідних авторів цього дослідження є уродженець Дніпра нейрофізіолог Антон Філіпчук, який до того уже вивчав хворобу Паркінсона та хворобу Стівена Ґокінга — бічний аміотрофічний склероз. Його робота допоможе діагностувати ці страшні хвороби задовго до появи перших симптомів.
Інерція
— В Росії я жив сім років, в Україні — шістнадцять, шість — у Франції і ось вже чотири роки — в Іспанії, — розповідає Антон, сидячи у себе вдома в Аліканте. — Мій батько, військовий, повернувся з Куби до Кривого Рогу, там народився я, а потім його послали до Сибіру, де я пішов у перший клас. До другого я пішов уже в 67-му школу в Дніпрі. Українською я тоді ще не розмовляв, тому було важко.
Ліцей інформаційних технологій (ЛІТ), куди вступає потім Антон, — одна з найкращих шкіл Дніпра, де поглиблено вивчають математику, фізику, програмування. Інформатика та фізика давалися Антону важко, та це підбурювало його, зчепивши зуби, докладати до їхнього вивчення найбільше зусиль.
— Мене обурює, якщо щось не вдається, — і я в цьому напрямку починаю працювати. Фізика в ліцеї на давалася, а фізфак ДНУ закінчив із відзнакою. З інформатикою у школі не все добре, а в статті у Nature чимало програмування для аналізу складних даних. Англійську важко було вивчати.., — Антон сміється, адже уже десять років він здебільшого спілкується саме англійською, а під час нашої розмови іноді просить підказати, як буде те чи інше англійське слово українською. — Ліцей давав стимул, там була атмосфера конкуренції — ти маєш бути найкращим. У доброму сенсі. Після навчання там я рухався за інерцією, тому перші три роки в університеті далися мені легко. У ЛІТі я засвоїв, що освіта — це не знати формули, а знати, де подивитися, вміти навчатися. Вміння вчитися — це головне.
На фізичному факультеті ДНУ Антон розпочав писати дисертацію під керівництвом Сергія Михайловича Корогода, доктора біологічних наук. Саме він зацікавив хлопця біофізикою. Та закінчував Антон її уже в Марселі, куди поїхав, вигравши стипендію французького уряду.
— У дитинстві моєю улюбленою книжкою було «Колесо часу» Олександра Купріна, там йдеться про Марсель. І так сталося, що я потрапив саме у Марсель!
Ув’язнений мозок
Нервові клітини, або нейрони, бувають сенсорними та моторними. Сенсорні нейрони реагують на дотик, на світло, на звук та інші подразники. Моторні нейрони, або ж мотонейрони, розташовані у спинному мозку і відповідають за координацію рухів та тонус м’язів. Саме їх досліджував у своїй кандидатській Антон. Він намагався зрозуміти, чи можливо діагностувати рідкісну хворобу — бічний аміотрофічний склероз (БАС) — ще до появи її симптомів.
Найвідоміший хворий на БАС, науковець Стівен Ґокінг, майже повністю паралізований. Навіть спілкується він через мовний синтезатор. Утім, це не заважає Ґокінгу регулярно публікувати наукові статті з космології і квантової гравітації та писати книжки, що одразу стають бестселерами.
— Захворювання прогресує швидко і завжди має летальний кінець: після діагнозу люди зазвичай живуть не більш як 2-5 років. Ґокінг — «щасливий» виняток, бо із діагнозом живе вже майже 40 років. Це ефект «ув’язненого» мозку. Людина має ясну свідомість, але втрачає контроль над тілом і помирає від задухи, коли не може вже дихати. Тільки м’язи ока не атрофуються, тому хворі ще можуть комунікувати з навколишнім світом, рухаючи очима.
Генетичні мутації, що викликають БАС, порушують функції видалення вільних радикалів з клітин. Молекули, у яких не вистачає електронів. Вони надзвичайно токсичні. Накопичуючись у клітинах, вільні радикали шкодять ДНК та білкам. Що веде до дегенерації мотонейронів, атрофії м’язів, загального поступового паралічу та смерті.
— Ми вивчали перебіг хвороби у мишей. Ці миші були генетично модифікованими так, щоб через півроку після народження у них з’являлися перші симптоми БАС. І ми відкрили цікавий феномен. Уже у перший тиждень у мишей були аномалії в дендритній структурі нейронів. І хоча жодних симптомів вони не мали ще протягом шести місяців, та нервова система уже значно змінювалася. Зазвичай це захворювання перебігає непомітно, бо нервова система намагається збалансувати ці порушення. Симптоми з’являються тільки у момент, коли усі компенсаторні механізми вичерпані.
Про вміння слухати
Попрацювавши у трьох наукових системах — українській, французькій та іспанській, — Антон має змогу порівнювати. На його думку, в України є більше спільного в організації науки з Іспанією, аніж із Францією.
— У Франції прислухаються до твоєї думки. Навіть якщо ти студент, початківець, тебе слухають. Не важливо, правильна твоя думка чи ні. Це може бути псевдонаукова маячня, а може бути щось геніальне. Вони слухають тебе. В Україні ж, зазвичай, є думка професора, з якою важко сперечатися. Та якщо плідно працюєш, у тебе з’являються власні ідеї, які не завжди збігаються із тим, що каже професор. Це нормально.
В Іспанії схожа історія.
— Коли професор, директор лабораторії має авторитарний стиль роботи, усі повинні виконувати його накази. Іспанська наука ієрархічна. У Франції вона горизонтальна, ти є колегою, колаборатором, а не підлеглим. Можливо, в Україні та Іспанії так відчувається рудимент тоталітарного минулого.
До того ж, за словами Антона, в Іспанії іноземцю дуже важко зробити хорошу кар’єру, зайняти високу позицію, тоді як у Франції він зустрічав українців-директорів лабораторій.
Як у Франції, так і в Іспанії професія науковця має високий соціальний престиж. Тільки це не позначається на зарплатах! В науці не можна заробити багато грошей, проте сюди йде багато молоді
— Та як у Франції, так і в Іспанії професія науковця має високий соціальний престиж. Тільки це не позначається на зарплатах! В науці не можна заробити багато грошей, проте сюди йде багато молоді. У Марселі мене вражало, що школярі хочуть вивчати в університеті не менеджмент, фінанси, банківську справу, а фізику, математику, біотехнології. Бо це дає їм кар’єрні перспективи. В Україні ж… Можливо, я був винятком у ЛІТі. Адже багато однокласників стали програмістами. І навіть ті, що пішли у науку, тепер програмують.
Синхронні нейрони
Після захисту Антон ще на два роки залишається у Франції — вивчати хворобу Паркінсона. Так у його кар’єрі стався перехід від досліджень спинного мозку до головного.
— Я вивчав спонтанну активність нейронів у мишей, які мали хворобу Паркінсона. Взагалі, у мишей навіть аутизм, шизофренію можна спровокувати. І моделі цих хвороб дають уявлення, як вони можуть розвиватися у людей. Тому що на людях деякі досліди проводити неможливо — є етичні й технічні проблеми. От щоб, скажімо, вивчити структуру мотонейронів, треба у людини, в якої немає симптомів БАС, вийняти тканину зі спинного мозку. Ну хто погодиться на таке?
Нейрони обробляють та передають інформацію за допомогою електричних або хімічних сигналів. Мотонейрони через аксони відправляють сигнали м’язам, аби викликати їхнє скорочення. Розрізняють два основні типи нейронної активності — індуковану, що виникає у відповідь на зовнішні сенсорні або моторні стимули, та спонтанну, що виникає у клітинах спорадично або завдяки взаємодії між сусідніми нейронами. Така активність задає ритмічні патерни, наприклад, дихання. Особливо ж високою спонтанна активність є під час розвитку мозку, коли вона необхідна для правильного формування та з’єднання нейронних мереж.
Команда, в якій працював Антон, вивчала зміни у нервовій системі, за якими можна було б заздалегідь діагностувати хворобу Паркінсона. Симптоми захворювання — тремтіння рук, порушення рухів — найчастіше спостерігають у літніх людей. Та чи можна передбачити цю страшну хворобу ще у молодості? Антон запевняє, що так, але не у всіх випадках.
— Великий відсоток захворювань — спорадичний, і лише частина — генетично обумовлена. Усі моделі ми вивчали на ранніх етапах розвитку мозку, тобто успадковану хворобу. У спорадичному випадку виявити хворобу на ранніх етапах неможливо. Ми зауважили підвищену синхронізацію груп нейронів головного мозку ще задовго до появи моторних симптомів хвороби. Деякі області мозку хворих генерують «шум», який приглушує активність інших частин мозку. Нормальний мозок людини чи тварини має бути синхронізований лише під час сну. Моторні проблеми асоціюють із підвищеною синхронізацією сенсорно-моторної кори, проте раніше не було ясно, чи така синхронізація спостерігається, коли моторні симптоми вже очевидні, чи передує їм.
Нейронні мережі
Пізніше Антон знаходить позицію в іспанському Аліканте. Молодий науковець їде у тамтешню лабораторію молекулярної біології розвивати напрямок нейрофізіології. Перед тим у Франції він освоїв техніку флуоресцентного кальцію — методу реєстрації електричної активності клітин, яка стала у пригоді на новому місці.
Під час електричної активності нейронів відбувається зміна концентрації йонів кальцію Ca2+ між внутрішнім провідним середовищем клітини та її зовнішнім оточенням. Ідея техніки у тому, аби ввести у клітину флуоресцентні барвники, які світяться по-різному в залежності від змін концентрації кальцію. Барвники у клітини або вводять штучно, або ж вирощують генетично модифікованих мишей із вбудованими флуоресцентними білками. І на моніторі комп’ютера можна бачити електричну активність цілих нейронних мереж, розрізняючи при цьому активність кожної клітини.
Стаття у Nature Communications — результат роботи великої групи авторів, співпраці між двома лабораторіями в Іспанії та Швейцарії. У ній досліджено нормальний розвиток мозку, а також розвиток із ушкодженими органами чуття, зокрема зору.
Периферична нервова система названа так, тому що розміщена за межами головного та спинного мізків. Це розгалужена нервова мережа, що охоплює наше тіло. Так, наприклад, тактильні відчуття передаються до кори головногу мозку за допомогою соматосенсорної системи, що є частиною периферичної.
У той же час, органи зору та слуху, вже є частиною центральної нервової системи, і також передають сигнали догори — до кори головного мозку. Раніше вважали, що під час ембріонального розвитку мозку деякі периферічні органи відчуття надсилають через його частину, таламус, немов через реле, синхронізовані сигнали, що досягають кори. Ці електричні хвилі працюють, мов гід, який направляє мозок правильним шляхом розвитку.
— Ми з’ясували, що хвилі йдуть не лише від периферії, а й від таламуса, тобто із самого мозку! Ще до того, як органи чуття мають cформований зв’язок із ним. Таламус — це частина мозку, де уперше зустрічаються сигнали від наших органів чуттів на шляху до кори. Таламус їх передає і розподіляє між зонами кори головного мозку, де і відбувається основна обробка інформації. І ми відчуваємо дотик. Або щось бачимо.
Очі
У лабораторії в Аліканте науковці навчилися «видаляти» очі мишам ще до їхнього народження. Аби вивчати зміни у «сліпому» мозку в ембріональному віці. Більшість попередніх досліджень проводили інакше — осліплювали новонароджених мишей і потім з’ясовували, що відбувається із мозком.
— Раніше вважали, що компенсація відбувається завдяки інтенсивнішому використанню вусів або слуху — і завдяки цьому розвивалися певні частини кори мозку. Сенсорний досвід. Миша, або людина, не бачить, але активніше використовує тактильні відчуття. У таких мишей, або ж людей, зони кори мозку, відповідальні за тактильну чи слухову систему, розширені, а от зорова частина зменшується. Ми показали, що механізм компенсації виникає ще до народження, отже, сенсорний досвід не має такого фундаментального значення. Та коли вмикається цей механізм?
Найкращим кандидатом на запуск механізму виявилися вищезгадані кальцієві хвилі. Кожна сенсорна система — слухова, зорова чи тактильна — має на рівні таламуса ядро, згусток нейронів, куди сходяться сигнали із зовнішнього світу, від периферії. Виявилося, що хвилі не лише існують в таламусі, а й відповідають за комунікацію усіх трьох сенсорних систем. У сліпих мишей кальцієва активність змінюється, і саме тому ще в ембріональному віці неушкоджені сенсорні системи «дізнаються», що із зором якась халепа, і починають нарощувати відповідні зони кори. І тому у перші ж дні після народження, коли миша сліпа, глуха, у неї уже розширена кора мозку — так, наче вона все життя спиралася тільки на слух чи дотик.
У сліпих мишей кальцієва активність змінюється, і саме тому ще в ембріональному віці неушкоджені сенсорні системи «дізнаються», що із зором якась халепа, і починають нарощувати відповідні зони кори
— Люди, які втратили зір у пізньому віці, мають меншу компенсацію. Можливо, знаючи ці механізми, ми зможемо «смикати» мозок за правильні «ниточки», аби наростити відповідні зони кори, покращити життя цим людям. Але це не поверне їм зору. Не приведе до ліків від незрячості. Наше відкриття хоч і досить важливе — це точка біфуркації, що змінить напрямок наступних досліджень у цій сфері, — але його використання у медицині… не питання завтрашнього дня. Однак це цеглина у будинку наших знань про мозок. Досить важлива цеглина.
Непевність
— Науковці не мають чіткого фіксованого розпорядку дня, — далі наша розмова зайшла про життя Антона в Іспанії. — О восьмій ранку ти не маєш бути на роботі, а піти о п’ятій. Якщо у тебе експеримент, то можеш піти з роботи о 10-й вечора. Або ж прийти у вихідний, якщо для певної тварини процедури треба провести саме цього дня. У цьому деяка нестабільність, важко планувати поїздки — я ж не знаю, може, на ті самі вихідні випаде важливий експеримент? Аби проводити експерименти з генетично модифікованою мишею, ти маєш чекати, скажімо, місяць — і якщо тварина народилася у незручний для тебе день, ну що ж, доведеться попрацювати у вихідний.
Але ці робочі незручності компенсують переваги життя у південній країні.
— Зате в Іспанії гарний клімат. Я живу у центрі міста, маю котів, багато квітів, поряд центральний ринок, пляж! Ритм життя соціальніший, аніж деінде: ти приходиш з роботи, а тут дзвонять друзі — і ти йдеш вечеряти на терасу чи пити із ними пиво.
Антон ділиться планами щодо подальшої кар’єри — попрацювати ще у Великобританії постдоком, а потім перейти на щабель вище і керувати принаймні науковою групою. В Англії це вірогідніше, аніж в Іспанії.
— Звісно, я переживаю через «Брекзіт». Виникає непевність. Мені здається, те, що відбувається в США, у Великій Британії, — катастрофа для науки. Зараз ніхто не знає, що буде завтра. Ще два роки тому такого не було. У науці звичайна схема — робиш дисертацію в Європі, потім їдеш до Америки. Зараз же у тих, хто їде до Америки, є певні перестороги. Хоча, може, то я драматизую, адже через ЗМІ ситуація часто видається іншою, аніж є насправді.
— Смішна історія була. Минулого квітня я відвідував конференцію у Великобританії. Там була директорка американської фундації, що фінансує розробки молодих науковців. Вона мала якісь контакти із Обамою, непогано орієнтувалася в політиці. І зайшла розмова, що станеться, якщо переможе Трамп і Британія за «Брекзіт» проголосує? Всі посміялися, сказали, що це неможливо. І ось вам!
Створювати нове
— Мені здається, що українська освіта має дещо хибну тезу «треба робити як кажуть». Страх зробити щось відмінне від того, що робилося завжди. Зазвичай в освіті дають знання, але не дають волі, викликають страх зробити щось не так. Західна система освіти набагато м’якша у критеріях, що є правильним, а що — ні. Кожна ідея має право на життя. Культивується критичність мислення і критичність до усталених авторитетів.
Західна система освіти набагато м’якша у критеріях, що є правильним, а що — ні. Кожна ідея має право на життя. Культивується критичність мислення і критичність до усталених авторитетів
На думку Антона, важливо знайти саме ту роботу, яка буде приносити радість та сенс життя.
— Я не можу нікому нічого радити з висоти віку, бо її не маю! Та мені видається важливим, щоб люди обирали професію, аби створювати нове. В Україні популярна думка, що робота — це аби заробляти гроші. Якась манія, аби менше працювати, чимось управляти — бути менеджером.
Молоді люди мають більше думати, щоб створювати щось нове, продукувати нові знання, інженерні рішення. Створювати. Західна культура — культура креативності. Молодь має думати про це, аби бути креативною. Щоб праця давала результат. Не бійтеся нових ідей.
Усі фото — Ramon Albarrán
