Удовольствие или Боль? Он составляет карту нейронных цепей, которые принимают решения. | Журнал Кванта

Ишмаил Абдус-Сабур был очарован разнообразием мира природы с тех пор, как он был мальчиком, выросшим в Филадельфии. Прогулки на природе, которые он совершал под руководством своего учителя третьего класса, мистера Мура, очаровали его. «Нам пришлось взаимодействовать и взаимодействовать с дикой природой и видеть животных в их родной среде», — вспоминает он. Абдус-Сабур также привез в свой трехэтажный дом целый зверинец существ — кошек, собак, ящериц, змей и черепах — и накопил на карманные расходы, чтобы купить журнал, в котором рассказывалось о черепахах. Когда взрослые спросили его, кем он хочет стать, когда вырастет, «Я сказал, что хочу стать ученым», — сказал он. «Я всегда поднимал брови».

Абдус-Сабур не отклонился от этой цели. Сегодня он является доцент биологических наук в Институте разума и поведения Мортимера Б. Цукермана при Колумбийском университете, где он учится как мозг определяет является ли прикосновение к коже болезненным или приятным. «Хотя этот вопрос имеет фундаментальное значение для человеческого опыта, его по-прежнему сложно объяснить с помощью удовлетворительных молекулярных деталей», — сказал он. Поскольку кожа является нашим крупнейшим органом чувств и основным проводником окружающей среды, она может содержать подсказки для лечения различных заболеваний, от хронической боли до депрессии.

Чтобы найти эти подсказки, Абдус-Сабур исследует нервную систему на каждом стыке вдоль оси кожа-мозг. Он не сосредотачивается только на коже или только на мозге, как это делают многие другие. «Мы объединяем эти два мира», — сказал он. Этот подход, добавил он, требует овладения двумя наборами техник, чтения двух наборов литературы и посещения двух наборов научных встреч. «Это дает нам уникальную возможность», — сказал он. Это привело к ориентир бумага опубликовано в прошлом году в Ячейка который подготовил всю нервную цепь для приятных прикосновений.

Абдус-Сабур также стал пионером новый количественный показатель боли на мышах — инструмент, который он и его команда адаптировали для сбора доказательств трансгенерационного наследования опиоидной зависимости. Его результаты на грызунах намекают на то, что чрезмерное употребление опиоидов родителями может изменить экспрессию генов таким образом, что подвергает детей риску того же самого.

Обладатель многочисленных наград за свои достижения, Абдус-Сабур был включен в первый класс Медицинского института Говарда Хьюза. Стипендиаты Фримена Грабовски в мае прошлого года. Премия предоставляет до 8.6 миллионов долларов в течение десяти лет начинающим исследователям, чьи лаборатории способствуют разнообразию и инклюзивности.

Quanta поговорил с Абдус-Сабуром о его склонности начинать все сначала в науке, о моменте «эврики» с рыбой-зеброй и о своих надеждах на недавно импортированную колонию голых землекопов. Интервью были сокращены и отредактированы для ясности.

Когда вы были ребенком, родители поддерживали ваш интерес к науке?

Они, конечно, это сделали. Я начал дарить животных на день рождения, потому что они видели, как они меня восхищают. Перенесемся в среднюю школу. В девятом классе мои родители разрешили мне занять третий этаж нашего дома для годового проекта научной ярмарки, который я делал для диплома по биологии. У меня повсюду были сотни раков. Мои родители не ученые, но они очень поддерживали мои выходки и приключения в научной сфере.

Что ваши родители делают?

Моя мама — финансовый директор в бухгалтерской фирме. Мой отец был актуарием до выхода на пенсию. Так что, возможно, я унаследовал математические наклонности. Чтобы аппроксимировать боль животного, мы проводим статистическое моделирование, чтобы свести его поведенческие особенности в единую, удобную для чтения шкалу. Мой отец приходил на некоторые из моих выступлений, и хотя биология часто ему не по плечу, он очень воодушевлен математической частью моей работы.

Как колледж повлиял на вашу карьеру?

Я учился в колледже North Carolina A&T, который исторически сложился для чернокожих. Я происхожу из рода людей, которые посещали подобные университеты. Мои родители учились в Университете Говарда. Моя тетя тоже. Дядя учился в штате Вирджиния, мой дед — в Университете Линкольна. Не знаю, был ли у меня другой выбор, кроме как поступить в один из этих университетов.

И все же я считаю, что это было мудрое решение. Моя уверенность в себе возросла, когда я увидел, что люди, похожие на меня, действительно преуспевают. И культура колледжа воспитывает, а не соревнуется. Преподаватели заботятся о вас. Студенты работают вместе и хотят видеть успех друг друга.

Вы проводили исследования в колледже?

Да. Я знал, что исследовательский опыт важен, поэтому в течение своего первого месяца в кампусе я ходил по домам и спрашивал у преподавателей возможности для проведения исследований. Меня наняли работать на свиноферме. Это забавно, потому что я не ем свинину, но я изучал, изменило ли изменение в рационе свиней вкус их мяса.

В то время я заигрывал с идеей стать ветеринаром. Итак, на втором курсе я работал в ветеринарных больницах, стерилизуя, кастрируя и чистя животных. Именно тогда я понял, что того восторга, который я испытывал в детстве от науки, не было. Я не был влюблен в эту работу.

Но между младшим и старшим курсами я работал в лаборатории молекулярной биологии Пенсильванского университета, и тут загорелась лампочка. Я подумал: «Ух ты, людям платят за то, что они думают о великих идеях и пытаются найти решения проблем, важных для здоровья человека». Я помню, как сказал родителям: «Вот и все. Я хочу получить докторскую степень. в молекулярной биологии».

Что побудило вас изучать удовольствие и боль?

Это была немного извилистая дорога. Я получил докторскую степень. в Пенсильванском университете изучают молекулярный путь круглых червей, участвующий в клеточном развитии. Гены белков этого пути мутируют как минимум в 30% случаев рака у человека. Моя работа продемонстрировала, как эти пути контролируют основной тип и форму клетки. Я был первым в этой лаборатории, кто изучал этот путь, поэтому мне пришлось создавать множество инструментов с нуля. Это было темой всей моей карьеры: мне нравится разрабатывать новые курсы.

И следующий курс, который вы наметили, привел вас к нейробиологии. Почему?

Нейронаука, казалось, переживала свой золотой век. Люди из разных дисциплин собирались вместе, чтобы изучить мозг, но казалось, что вопросов по-прежнему больше, чем ответов, поэтому у меня было пространство, чтобы оказать влияние. Я занялся сенсорной нейробиологией отчасти из-за ее логической простоты: рецепторы кожи активируются, а затем после серии переключений каким-то образом в мозгу появляется восприятие. Из сенсорных систем осязание наименее изучено. Некоторые важные вопросы все еще остаются открытыми.

Как вы компенсировали недостаток знаний?

Сначала я был неуверен в отсутствии у меня формального образования. Будучи постдоком, я никогда не посещал курсы нейробиологии. На встречах и беседах с нейробиологами я часто обнаруживал, что не успеваю за ними. Я не знал этого жаргона. Но я регулярно встречался с Майкл Нусбаум, директор биомедицинских исследований Пенсильванского университета, после того, как попросил его стать моим наставником. Однажды в своем кабинете он предложил мне обучать меня нейробиологии. По два часа в неделю на протяжении года мы обсуждали статьи по нейробиологии, начиная с 1970-х и 1980-х годов. Таким образом я изучал нейробиологию. Это придало мне смелости сказать: «Хорошо, я нейробиолог».

Я афроамериканец. Майки Нусбаум — белый еврей из Нью-Йорка. Иногда люди в жизни, которые поддерживают вас больше всего, могут не иметь прямого отношения к вам и вашей культуре.

Как вы пришли к своей шкале боли?

Из-за боли в моей работе я сделал шаг назад. Если мы собирались использовать мышей для изучения боли и, возможно, разработки новых обезболивающих, нам сначала нужно было ответить на вопрос: как мы узнаем, что животное испытывает боль? Традиционно исследователи смотрят на то, как часто животное убирает лапу от раздражителя, но животные двигают лапами по разным причинам. А поскольку стандартизации не было, разные лаборатории решали, что один и тот же стимул был безобидным, болезненным или очень болезненным, в зависимости от эксперимента. Поэтому я сказал: «Нам нужно разработать совершенно новую систему».

Как вам пришла в голову эта идея?

Я получил идею от Майкл Гранато, нейробиолог из Пенсильванского университета, чья лаборатория находилась рядом с нашей. Он изучал реакцию акустического испуга у личинок рыбы-зебры. Я пошел на лабораторное собрание, на котором Рошан Джайн, в то время постдок в лаборатории Гранато, а теперь преподаватель Хаверфордского колледжа, рассказал об использовании высокоскоростной видеосъемки для захвата ответных движений, которые слишком быстры, чтобы их можно было оценить невооруженным глазом. Я понял, что мы можем использовать тот же подход для записи движений животного в ответ на кожный раздражитель и использовать эти движения для аппроксимации боли животного. Это открыло совершенно новый мир.

Если бы я не пошел на встречу с ученым-зеброй, мне бы никогда не пришла в голову эта идея. Я до сих пор хожу на лекции и слушаю, как люди говорят о червях, мухах, рыбах, дрожжах, бактериях — что угодно — потому что, возможно, я узнаю что-то, что смогу интегрировать в нашу работу. Позор современной науки в том, что каждый чрезмерно сосредоточен на своей системе, своем подходе, своем организме, своей дисциплине. Это может задушить инновации, если люди не имеют достаточной подготовки и не выходят за пределы своей зоны комфорта.

Как вы связали движения мыши с ее ощущениями, чтобы создать шкалу для измерения боли?

Во-первых, мы подтвердили, что стимул, считающийся безобидным, например прикосновение мягкой кисти для макияжа, активирует сенсорные нейроны в коже животного, а укол иглы в кожу активирует болевые нейроны. Затем мы записывали ответные движения животного на каждый стимул. От боли животное морщилось, быстро отдергивало лапу и энергично трясло ею. Мы дали числовое значение каждому типу движения, скорости отдергивания и количеству покачиваний лап. Затем мы присвоили каждому числу числовой вес, собственное значение, исходя из того, насколько важна эта характеристика для уровня боли, а затем объединили взвешенные значения в единую количественную меру боли.

Как, по вашему мнению, используется этот новый инструмент?

Есть две вещи, которые нас очень волнуют. Один из них изучает генетическую изменчивость как причину боли. Человеческая популяция в мире имеет очень разную чувствительность к боли. Частично это социокультурно, но частично заложено в ДНК. Например, люди, которые вообще не чувствуют боли, имеют генетические мутации, лежащие в основе этой черты. В моей лаборатории мы использовали шкалу боли для измерения болевой чувствительности примерно 20 различных линий мышей. Мы выявили мышей, которые мало реагируют на боль, а также мышей, которые обладают сверхчувствительностью. Мы используем методы генетического картирования, чтобы найти новые гены, которые могут лежать в основе болевой чувствительности.

Нас также очень волнует то, как мозг контролирует переход от острой боли к хронической. Мы используем нашу шкалу боли для измерения уровня боли у мышей, а затем делаем снимок активности мозга мыши с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии. Мы фотографируем животных каждый день, чтобы выявить закономерности активности мозга, лежащие в основе перехода от острой боли к хронической. Как только мы их найдем, мы сможем попытаться изменить их, чтобы изменить течение хронической боли. Нас интересуют как эмоциональные, так и сенсорные компоненты этой боли.

Изучали ли вы прикосновения, которые не причиняют боли?

Да, в нашем недавнем Ячейка В статье мы перешли от кожи к мозгу, чтобы объяснить, почему некоторые формы прикосновений приносят пользу.

Удивительно, что этого не сделали раньше.

Молекулярное изучение осязания все еще находится в относительном зачаточном состоянии. Молекулярные особенности различных классов сенсорных нейронов были идентифицированы только в конце 2000-х годов. С тех пор большое внимание уделялось распознавающему прикосновению, такому прикосновению, которое позволяет отличить четвертак от десятицентовика по текстуре. Социальные поглаживающие прикосновения изучены недостаточно.

Как начался этот проект?

Дэвид АндерсонГруппа из Калифорнийского технологического института сообщила в 2013 году, что определенные клетки кожи реагируют на нежное прикосновение. Но они не вовлекли эти клетки в какое-либо естественное поведение и не установили связь с мозгом. Я прочитал статью и решил попытаться заполнить эти пробелы. На последнем году работы постдоком я генетически модифицировал мышей, чтобы у них были нейроны нежного прикосновения, которые реагировали на синий свет. Мой план состоял в том, чтобы стимулировать нейроны синим светом и посмотреть, что будут делать мыши.

Когда в 2018 году я открыл собственную лабораторию, мы были готовы начать эти эксперименты. Я до сих пор помню тот день, когда студенты пришли в мой кабинет, чтобы показать мне, что они нашли. Это было похоже на момент эврики. Когда мы активировали нейроны через кожу на спине мышей, животные вели себя так, как будто их там гладят. Это запустило весь проект. Мы провели гораздо больше поведенческих тестов и проследили путь социального контакта от кожи до спинного мозга и центров вознаграждения в головном мозге.

Имеет ли обнаружение этого пути от кожи к мозгу какие-либо медицинские последствия?

Да, кожа является хорошей терапевтической мишенью. Он доступен и представляет собой прямой путь к той части мозга, которая заставляет нас чувствовать себя хорошо. Что, если бы мы могли активировать эти нейроны с помощью крема для кожи, чтобы улучшить психическое здоровье — скажем, чтобы компенсировать вред, причиненный социальной изоляцией, или вылечить тревогу или депрессию? Когда я говорил об этом в декабре, психиатры и нейрофармакологи в аудитории с большим энтузиазмом отзывались о терапевтическом потенциале.

У вас есть колония голых землекопов. Что ты с ними делаешь?

Голые землекопы родом из Восточной Африки. Они живут под землей и по сути слепы, во многом полагаясь на прикосновения, используя волосы, похожие на усы, чтобы ориентироваться в своих норах и взаимодействовать друг с другом. Осязание занимает у них область мозга в три раза большую, чем у других млекопитающих. Мы считаем, что прикосновения важны для формирования их общественной социальной структуры.

Мы интересуемся ими еще и потому, что слепыши не чувствуют некоторых форм боли. Например, они не проявляют болевой реакции на молекулу капсаицина, активный ингредиент острого перца, которая весьма болезненна для большинства млекопитающих. На коже у них есть рецепторы, реагирующие на капсаицин, поэтому я предполагаю, что у животных есть мозговые пути, которые отключают боль. Если мы сможем найти и использовать эти сигналы, мы сможем найти новый способ блокировать боль.

Как молодому исследователю, какие препятствия вам пришлось преодолеть — научные, социальные или культурные?

В целом, мне очень повезло, что у меня были наставники и коллеги всех рас, национальностей и полов, которые верили в меня и поддерживали меня. Мне повезло больше, чем некоторым другим недостаточно представленным меньшинствам, которые работали в действительно сложных условиях, и поэтому их сегодня здесь нет.

Тем не менее, я не остался невредимым. Университетская полиция остановила меня и преследовала, потому что не считала, что я принадлежу университетскому городку. Меня остановили в моем собственном доме и вызвали правоохранительные органы. Большинство других чернокожих ученых, которых я знаю, имели очень похожий опыт. Подобные вещи случаются не только в университете, но и в том районе, где я живу, и когда они происходят, они неприятны и могут спровоцировать гнев и разочарование. Но у меня всегда была сеть людей, которые поддерживали меня и помогали мне преодолеть те сравнительно немногочисленные случаи в моей карьере, когда я сталкивался с такого рода явным расизмом.

Есть ли у вас совет начинающим чернокожим ученым?

Небо это предел. Не огорчайтесь, если вы посмотрите вокруг и не увидите много людей, похожих на вас, потому что ситуация меняется. Окружите себя хорошими людьми. Иногда эти люди будут выглядеть как вы, но не удивляйтесь, если некоторые из ваших самых преданных сторонников этого не сделают. Будьте открыты и налаживайте правильные связи.

И не разрушайте свои мечты. Нам нужны люди любого происхождения, всех слоев общества, потому что перед нами стоят сложные проблемы. Я бы посоветовал чернокожим ученым или любому человеку, заинтересованному в этой работе: если вы любите и страстно относитесь к ней, займитесь ею.