Выносили решения во снах. Новый выпуск Пушки.Мозг + текстовая версия
В выпуске:
задача во сне решается вдвое чаще — исследователи впервые доказали это в лаборатории, и обнаружили неожиданное: лучший результат, похоже, у тех, кто вообще ничего не помнил;
мозговую ткань разморозили после витрификации — и она не просто выжила, но сохранила нечто похожее на механизмы памяти; с взрослой тканью и после такой глубокой заморозки это впервые;
живой мозг удалось сделать прозрачным — новый метод позволяет видеть отдельные импульсы в нейронах прямо в живой ткани, не убивая её; такого разрешения без разрушения добиться раньше не получалось;
атлас человеческих органов с детализацией до отдельных клеток — целый глаз, целое лёгкое, и можно масштабироваться как в картах; установка, которая это позволила, строилась совсем для другого;
активацию генов в живом организме удалось понаблюдать напрямую — впервые сам процесс, а не его последствия, и сразу выяснилось, что соседние клетки одной ткани работают совершенно по-разному;
старые клетки, возможно, не сломаны — а приспособлены; если это так, то разговор о старении придётся вести немного иначе.
Ссылки на материалы из выпуска
Задача во сне
Это из тех новостей, что читаешь и не веришь.
Исследователи целенаправленно внедрили нерешённые головоломки в сны добровольцев — с помощью звуков — и доказали: если задача приснилась, шансы решить её утром удваиваются. Из этого, возможно, следует кое-что неожиданное: обычные, неосознанные сны могут быть полезнее для решения задач, чем осознанные.
Но сначала — откуда вообще взялась эта идея.
Историй про озарения во сне накопилось немало. Менделееву, если верить историкам науки, таблица элементов всё же не приснилась — он проснулся с ощущением откровения и уже наяву за несколько часов решил то, что не давалось годами. Но есть и более достоверные случаи. Фармаколог Отто Лёви проснулся ночью, записал на клочке бумаги какую-то идею — и утром не смог разобрать каракули. Следующей ночью осенило снова. Он побежал в лабораторию, поставил эксперимент с двумя лягушками и доказал, что нервные сигналы передаются химически. Так был открыт первый нейромедиатор. Потом — Нобелевка.
Так что за этим стоят не только мифы. Но как изучить по-настоящему — до сих пор было непонятно. Если просто попросить добровольцев «думать о задаче перед сном» — потом невозможно разобрать, что именно помогло: сон, раздумья перед ним, или то, что они снова взялись за задачу утром. Да и связь между «задача приснилась» и «задача решилась» не доказывает причинность — может, оба следствия одного: человек был так сфокусирован, так погружён в тему, что воздалось.
Поэтому исследователи поставили вопрос иначе: а можно ли экспериментально вызвать конкретное сновидение — и уже потом смотреть, что происходит с решением?
Для этого использовали метод реактивации целевой памяти. Работает так: человек что-то запоминает, и в этот момент ему проигрывают звук. Образуется связка — информация и сигнал, как аудиозакладка. Если проиграть тот же звук во сне, можно вызвать связанное воспоминание.
В добровольцы набрали и тех, кто умеет видеть осознанные сны — когда понимаешь, что спишь, и можешь управлять происходящим. Таким закладки не нужны. К ним достаточно «зайти» во сне напрямую: подать нарастающий тон, а потом голосом назвать головоломку.
Всё проходило в лаборатории с полноценной полисомнографией. На каждом участнике — электроды ЭЭГ, датчики мышечного тонуса, движений глаз, дыхания. Мозговые волны не сымитируешь. Было видно не просто то, что человек спит, но и в какой именно фазе.
Головоломки подбирали такие, где к решению логикой не прийти. Нужно переиначить сам взгляд на задачу. Например: переложи ровно пять спичек так, чтобы подвесные весы стали уравновешенными. Главное — перестать видеть треугольник как треугольник.
Каждую задачу давали на три минуты. Не решил — запомни звук-закладку и забудь до утра. В среднем за вечер человек пробовал около пяти головоломок и оставлял нерешёнными четыре. Их и пускали «в работу» ночью.
Когда участник входил в фазу быстрого сна, исследователи тихо воспроизводили звуки нерешённых задач. А чтобы убедиться, что напоминалка попала в сон, добивались двусторонней связи со спящим. Всех заранее предупредили: если слышишь во сне звук и начинаешь работать с задачей — сделай серию коротких быстрых вдохов носом. По приборам это прекрасно видно.
Для осознанных сновидцев был второй сигнал. Осознав, что спит, человек давал знак движениями глаз влево-вправо — и исследователи передавали задание напрямую: работай с этой конкретной головоломкой. Одна участница, по её рассказу, позвала во сне ребёнка с аутизмом, чтобы тот помог ей думать иначе.
Утром — четыре минуты на каждую нерешённую задачу. Через десять дней — ещё одна попытка по видеозвонку, уже без звуков.
Результаты оказались неожиданными.
Осознанные сновидцы справились хуже всех — решили лишь каждую десятую задачу. Исследователи объясняют это тем, что в осознанном сне человек крутит те же идеи, что и наяву. Логика никуда не девается. А хаотичный, бесконтрольный бред обычного сна — порождает неожиданные ассоциации, ходы мысли, которые днём просто не появятся.
Обычные сны дали почти половину решений. Но лучший результат показали те, кто спал беспробудно — и утром вообще не помнил, снилось ли что-то. По приборам, однако, было видно: во сне они реагировали на сигналы и подавали ответные вдохи. Что-то там с задачей происходило. Что именно — пока загадка.
Исследователи осторожно предполагают: полезная работа происходит не в том слое сна, который потом запоминается и вообще воспринимается сознанием. Где-то глубже мозг перебирал варианты, строил связи, может быть — образы. А человек утром просто получает результат, когда возвращается к задаче. Что этот результат — из сна, он может даже не догадываться.
Слабое место исследования — выборка. Всего двадцать участников. При таком размере одно-два случайных решения заметно двигают итоговую статистику. Но впервые — такой строгий алгоритм, такой качественный контроль условий. Побольше участников — и дело пойдёт совсем хорошо.
Разморозка
Ещё в середине прошлого века японские учёные сообщали, что им удалось разморозить мозг кошки после нескольких лет при минус двадцати — и тот вроде бы активничал. Согретые нейроны выдавали разряды в коре, гипоталамусе, мозжечке. Пусть и замедленные.
Но почему-то мы до сих пор не видим, чтобы кто-то замораживал человеческий мозг и возвращал его к жизни — хотя бы биологической.
Обычно объясняют это льдом. Кристаллы воды повреждают клетки и — что для мозга важнее всего — рвут синапсы, контакты между нейронами. С теми кошками так и было: нейроны стреляют, а толку нет — всё оборвано.
На самом деле ключевых помех штук пять — и в новом исследовании их все удалось более-менее решить.
Авторы показывают: после разморозки нейронные сети работали почти как до заморозки. Митохондрии активны, синапсы шлют сигналы. И главное — сохранилась долговременная потенциация: механизм, которым мозг закрепляет новые связи при обучении. Такого ещё никому не удавалось со взрослой мозговой тканью после столь глубокой заморозки — фактически до превращения ткани в стекло.
Результат тем удивительнее, чем лучше понимаешь, сколькими ножами пришлось жонглировать.
Первый — сам лёд. От него защищают криопротекторы — вещества, которые заливают через сосуды в мозг или в которые погружают нарезанные слои ткани. Проблема в том, что эти вещества токсичны для нейронов. Чтобы не убили сразу — заливают медленно и при пониженной температуре. Но медлить тоже нельзя: криопротектор немедленно начинает вытягивать воду из клеток, те сжимаются. Если резко — цитоскелет рвётся, мембрана повреждается. Поэтому раствор подают пошагово, с паузами, давая клеткам привыкнуть.
Затем — стремительная заморозка жидким азотом до минус ста девяноста шести градусов. Молекулы внутри ткани полностью застывают. Это не очевидно тем, кто далёк от физики: даже при минус пятидесяти молекулы в замёрзшем куске мяса ещё очень даже подвижны, просто замедлились. Здесь — стоп-машина. А за счёт криопротектора ткань переходит не в лёд, а в особое состояние — буквально стекло. Это называется витрификацией.
Такое стеклянное состояние хрупко: если какая-то часть ткани окажется холоднее другой, возникает механическое напряжение — и она лопается. Решили это, предварительно охлаждая срезы через медный цилиндр — равномерно, со всех сторон, — и только потом аккуратно опуская в азот.
Ткани держали от десяти минут до восьми суток. Потом — разморозка. Она опасна не меньше: при отогреве тоже может образовываться лёд, а клетки, освобождаясь от криопротектора, охотно набирают воду обратно и могут лопнуть. Исследователи добавляли специальный сахар, чтобы создать небольшое обратное давление и замедлить приток воды.
Всё это сработало.
Забавно, что большую часть ущерба нанёс не сам процесс заморозки, а криопротектор. И это хорошая новость — значит, надо совершенствовать химию. А витрификация как таковая удалась.
Теперь, казалось бы, самое время попробовать с человеческим мозгом. Но сначала нужно преуспеть с чем-то крупнее мыши. Мозг мыши весит полграмма. Средний человеческий — примерно в две с половиной тысячи раз больше. Размер напрямую влияет на процесс: надо успеть напитать весь объём криопротектором быстро, но не слишком; заморозить стремительно — пока до мозжечка доберётся холод, остальное успеет погибнуть; потом так же быстро, но аккуратно отогреть.
С отогревом крупных органов, кстати, тоже есть прогресс. Почки уже удаётся отапливать с помощью наночастиц: ткани пропитывают ими и обдают радиоволнами — частицы нагреваются и отдают тепло равномерно по всему объёму. С мозгом пока не пробовали.
Но сейчас у нас хотя бы есть первое реальное подтверждение вместо смелых надежд: ткань мозга может пережить глубочайшую заморозку. Не просто выжить структурно — сохранить механизмы, которые отвечают за память.
Прозрачный мозг
Почти два года назад разлетелись кадры прозрачных мышей. С помощью тартразина — пищевого красителя E102, который встречается везде от мармелада до сока, — живые ткани удалось сделать почти невидимыми для света. До обработки — как в мутной воде, ничего не разобрать. После — будто сквозь чистое стекло.
Тогда специалисты обратили внимание на два нюанса. Первый: прозрачной сделали только кожу. Второй: раствор должен быть настолько концентрированным, что вытягивает воду из клеток — те скукоживаются. Та же проблема, что с криопротекторами.
Если проделать такое с более ранимой тканью — например, с мозгом — нейроны просто погибнут или необратимо повредятся. А весь смысл как раз в том, чтобы наблюдать за живой тканью, не ломая её.
Потребность в этом огромная. Нейрохирург хочет знать прямо во время операции, где заканчивается опухоль и начинается здоровая ткань — а не по снимку двухдневной давности. Сейчас это достоверно выясняется только после операции, когда уже взяли биопсию. Дополнительные риски, потерянное время.
Нейробиологи, как правило, видят «какие зоны активны в среднем» или работу отдельных изолированных нейронов — пусть даже тысяч. Но как именно они взаимодействуют при конкретном запахе, при конкретном воспоминании — этого сейчас не видит никакая техника.
Теперь, похоже, — справились.
Можно напрямую наблюдать работающие нейроны в живом мозге — и даже их крошечные отростки, дендриты, которые раньше сливались с окружением. Добились этого с помощью бычьего сывороточного альбумина — вещества, которое можно купить в любом магазине реагентов.
Оказалось: если растворить его в концентрации примерно вдвое выше, чем белков в обычной крови, — получаешь жидкость с оптическим весом ровно как у цитоплазмы живой клетки. Видимая граница между ними исчезает. Ткань становится прозрачной — живой и невредимой.
Почему это работает? Ткани непрозрачны для обычного света, потому что он постоянно натыкается на границы: между клеткой и межклеточной жидкостью, между мембраной и тем, что снаружи. На каждой границе луч рассеивается иначе, и таких границ — тысячи для каждого фотона. Решение давно известно физикам: нужно, чтобы свет одинаково преломлялся по обе стороны всех этих границ. Старый лабораторный фокус: стеклянная палочка в глицерине исчезает, потому что эта жидкость преломляет свет ровно так же, как то конкретное стекло. Граница между ними для света перестаёт существовать.
С живыми клетками это долго не работало: все жидкости с нужным оптическим весом либо проникали внутрь и ломали химию, либо были настолько солёными, что клетка скукоживалась. Авторы перебрали всё, что делали коллеги, и вышли к идее крупных белков — молекула должна быть такой большой, чтобы при всём желании не могла пролезть в клетку.
На первых же записях — события, которые раньше нельзя было наблюдать никакими другими способами в принципе: отдельные электрические импульсы в нейронах длительностью одну миллисекунду сразу в ста сорока дендритных сегментах.
Такого не дают даже нейроинтерфейсы с тысячами электродов, подключённых напрямую к мозгу. Электрод слышит соседние нейроны — но не знает, от тела клетки идёт сигнал или от конкретного дендритного шипика в полумикрометре от него. И один электрод не может быть в ста сорока местах одновременно. Здесь — просто смотришь в микроскоп.
Глубина, на которую теперь можно заглядывать в живой мозг, выросла вдвое: 600–800 микрометров — это от трети до половины всей коры мыши.
Охота за бессмертием: блиц
Атлас органов.
Благодаря тридцати с лишним донорам и большой команде биологов с физиками появился уникальный атлас человеческих органов — и его выложили в открытый доступ. Уже одиннадцать типов: мозг, почки, лёгкие, сердце, даже простата. Можно рассматривать с разных сторон и масштабироваться вплоть до отдельных клеток — и это не нарисованная 3D-модель, а реальный скан. Один глаз в полном разрешении весит около пятидесяти гигабайт. Разрешение — четыре микрона. Для сравнения: обычный больничный КТ даёт полмиллиметра, это в сто раз грубее.
Сделали это с помощью синхротрона в Гренобле — ускорителя частиц размером со стадион. Электроны разгоняют почти до скорости света, и они излучают рентген — в миллиарды раз более яркий и точный, чем в больнице. Орган медленно вращается, делается девять тысяч снимков под разными углами — и собирается трёхмерный скан. Потом пучок сужают и наводят на конкретную точку внутри: хочешь — сосуд в глубине лёгкого при двадцатикратном увеличении. В итоге снаружи — целый орган, внутри — детализация до клетки, всё в одной системе координат.
Это и есть прокачка инструментов. Неспециалисты часто недооценивают такие новости. А зря: улучшение удочек приносит совокупно больше улова, чем отдельные громкие открытия.
Гены в действии.
Оказывается, мы никогда толком не видели, как именно активируются гены. Чтобы посмотреть, приходилось убивать клетки, заливать токсичным реагентом, красить антителами — и только тогда смотреть в микроскоп на руины, замёрзшие в одном моменте.
Теперь учёные придумали наблюдать за этим процессом в живых клетках живого организма. Метод опробовали на мышах: заставили светиться белок, который прилипает к молекулярной машине, читающей гены. Каждый такой зонд светится отдельной точкой.
И сразу же подсмотрели кое-что неожиданное. Клетки из одной и той же ткани работали совершенно по-разному: у одной иммунной клетки — полсотни светящихся точек, у соседней — под полтысячи. Оказалось, одна уже «готова» и незачем лишний раз активировать гены, а другая вся ещё в стройке. Мало того — точки смещаются внутри ядра: в молодых делящихся клетках быстро, в зрелых тканях — почти не дрейфуют. По одному только этому движению можно судить о состоянии клетки. И наблюдать это теперь можно в любой ткани живого организма — при болезнях, при старении — не убивая.
Сюрприз от старых клеток.
С возрастом мышцы после травм восстанавливаются всё хуже. Стволовые клетки, отвечающие за ремонт, отзываются всё неохотнее — и было непонятно почему. Оказалось, виноват один белок. С возрастом его накапливается в клетках в три с половиной раза больше, чем у молодых, — и он тормозит деление, замедляет реакцию на повреждения.
Исследователи отключили этот белок у пожилых мышей — клетки взбодрились, стали вести себя как у молодняка, мышцы начали чиниться быстро. Но уже на второй травме наступала катастрофа: заживление было хуже, чем до отключения. Клеток просто не хватало — они сгорали в починке быстрее, чем появлялись новые.
Авторы предполагают: такое замедление — не поломка, а защита. Пусть и не самая очевидная. Те мыши, у которых замедляющего белка было мало, судя по всему, до старости просто не дожили. А те, у кого много, — выжили, но стали медлительными. Получается, как минимум некоторые клетки к старости вовсе не сломаны. Они просто лучше приспособлены. Хотя нам это может жутко не нравиться.