Год в биологии

Наши воспоминания являются краеугольным камнем нашей идентичности. Их важность — большая часть того, что делает болезнь Альцгеймера и другие формы слабоумия такими жестокими и мучительными. Вот почему мы так отчаянно надеялись, что наука изобретет лекарство от болезни Альцгеймера, и почему так разочаровывает и трагично то, что полезные методы лечения появляются медленно. Поэтому большое волнение вызвало объявление в сентябре о том, что новое лекарство, леканемаб, замедлило прогрессирование заболевания в ходе клинических испытаний. Если он будет одобрен Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов, леканемаб станет лишь вторым препаратом для лечения болезни Альцгеймера, противодействующим белку-бета-амилоиду, который, по широко распространенному мнению, является причиной болезни. 

Тем не менее, эффекты леканемаба настолько незначительны, что исследователи спорят о том, действительно ли препарат будет иметь практическое значение для пациентов. Тот факт, что леканемаб выделяется как яркое пятно, говорит о том, насколько мрачной была история исследований методов лечения болезни Альцгеймера. Между тем, более глубокое понимание биологии в игре подогревает интерес к ведущим альтернативным теориям того, что вызывает болезнь.

Спекуляции о том, как работает память, по крайней мере так же стары, как и Платон, который в одном из своих сократовских диалогов писал о «даре Памяти, матери Муз», и сравнивал ее действие с восковым штампом в душе. Мы можем быть благодарны за то, что наука значительно улучшила наше понимание памяти со времен Платона — вместо восковых штампов появились «энграммы» изменений в наших нейронах. Только за последний год исследователи добились впечатляющих успехов в изучении того, как и где в мозгу находятся различные аспекты наших воспоминаний. Что еще более удивительно, они даже обнаружили биохимические механизмы, которые отличают хорошие воспоминания от плохих.

Поскольку мы существа с мозгом, мы часто думаем о памяти с чисто неврологической точки зрения. Тем не менее работа, опубликованная в начале 2022 года исследователями из Калифорнийского технологического института, предполагает, что даже отдельные клетки в развивающихся тканях могут нести некоторые записи истории своего происхождения. Эти стволовые клетки, по-видимому, полагаются на эту сохраненную информацию, когда сталкиваются с решениями о том, как специализироваться в ответ на химические сигналы. Достижения в области биологии за прошедший год принесли много других сюрпризов, в том числе понимание того, как мозг приспосабливается к длительной нехватке пищи и как мигрирующие клетки следуют по телу. Стоит оглянуться назад на некоторые из лучших из этих работ, прежде чем откровения наступающего года дадут нам новый взгляд на самих себя.

Многие люди, связанные с болезнью Альцгеймера либо через исследования, либо через личные связи с пациентами, надеялись, что 2022 год станет знаменательным. Крупные клинические испытания, наконец, покажут, работают ли два новых препарата, воздействующих на предполагаемую первопричину болезни. Результаты, к сожалению, не оправдали ожиданий. Один из препаратов, леканемаб, продемонстрировал способность немного замедлять снижение когнитивных функций у некоторых пациентов, но также был связан с иногда смертельными побочными эффектами; другой, гантенерумаб, был признан полным провалом. 

Неутешительные результаты завершают три десятилетия исследований, в значительной степени основанных на теории о том, что болезнь Альцгеймера вызывается бляшками амилоидных белков, которые накапливаются между клетками мозга и убивают их. Однако появляется все больше данных, свидетельствующих о том, что амилоид является лишь одним компонентом в гораздо более сложный патологический процесс это связано с разрушительным воспалением и сбоями в том, как клетки перерабатывают свои белки. Большинство этих идей существуют столько же, сколько и амилоидная гипотеза, но только начинают привлекать внимание, которого они заслуживают.

На самом деле, скопления белков вокруг клеток начинают выглядеть как почти универсальное явление в стареющих тканях, а не в состоянии, характерном для амилоида и болезни Альцгеймера, согласно работе исследователей Стэнфордского университета, о которой было объявлено в препринте прошлой весной. Наблюдение может быть еще одним доказательством того, что усугубление проблем с управлением белками может быть обычным следствием старения клеток.

Нейробиологи уже давно многое поняли о том, как формируются воспоминания — в принципе. Они знали, что по мере того, как мозг воспринимает, чувствует и думает, нейронная активность, вызывающая эти переживания, усиливает синаптические связи между задействованными нейронами. Эти длительные изменения в наших нейронных схемах становятся физическими записями наших воспоминаний, позволяя повторно вызывать электрические паттерны нашего опыта, когда они необходимы. Точные детали этого процесса, тем не менее, были загадочными. В начале этого года ситуация изменилась, когда исследователи из Университета Южной Калифорнии описали технику визуализация этих изменений как они происходят в живом мозгу, который они использовали, наблюдая, как рыба учится ассоциировать неприятное тепло со световым сигналом. К их удивлению, в то время как этот процесс укреплял одни синапсы, он удалял другие. 

Информационное содержание памяти — это только часть того, что хранит мозг. Воспоминания также кодируются с помощью эмоциональная «валентность» который классифицирует их как положительный или отрицательный опыт. Прошлым летом исследователи сообщили, что уровни одной молекулы, высвобождаемой нейронами, называемой нейротензином, по-видимому, действуют как флаги для этой маркировки. 

Жизнь на Земле началась с появлением первых клеток примерно 3.8 миллиарда лет назад. Но как это ни парадоксально, до того, как появились клетки, должны были существовать наборы молекул, делающих удивительно похожие на живые вещи. За последнее десятилетие исследователи в Японии проводили эксперименты с молекулами РНК, чтобы выяснить, может ли один тип репликирующей молекулы эволюционировать в множество различных репликаторов, как предполагали исследователи происхождения жизни, это должно было произойти в природе. Японские ученые обнаружили, что такая диверсификация действительно имела место, когда различные молекулы совместно эволюционировали в конкурирующих хозяев и паразитов, доминирование которых возрастало и уменьшалось. В марте прошлого года ученые сообщили о новой разработке: различные молекулы начали работать вместе в более стабильная экосистема. Их работа предполагает, что РНК и другие молекулы в добиотическом мире могли аналогичным образом эволюционировать, чтобы заложить основы клеточной жизни.

Самовоспроизведение часто рассматривается как важный первый шаг в любой гипотезе происхождения жизни, но это не обязательно. В этом году Ник Лейн и другие биологи-эволюционисты продолжили находить доказательства того, что до появления клеток системы «протометаболизма» В пористых материалах вблизи гидротермальных источников могли возникнуть сложные наборы энергетических реакций.

Как одна оплодотворенная яйцеклетка вырастает во взрослое человеческое тело с более чем 30 триллионами клеток более чем 200 специализированных категорий? Это квинтэссенция тайны развития. На протяжении большей части прошлого века преобладающее объяснение заключалось в том, что химические градиенты, установившиеся в различных частях развивающегося организма, направляют клетки туда, где они необходимы, и сообщают им, как дифференцироваться в составные части кожи, мышц, костей, мозга и других органов. органы. 

Но теперь химикаты кажутся лишь частью ответа. Недавняя работа предполагает, что хотя клетки и используют подсказки химического градиента для управления своей навигацией, они также следуют паттерны физического напряжения в тканях, которые их окружают, как канатоходцы, пересекающие натянутый трос. Физическое напряжение не только указывает клеткам, куда им идти. Другая работа, о которой сообщалось в мае, показала, что механические силы внутри эмбриона также помогают индуцировать группы клеток. становятся специфическими структурами, например, перья вместо кожи.

Тем временем синтетические биологи — исследователи, применяющие инженерный подход к изучению жизни, — добились значительного прогресса в понимании видов генетических алгоритмов, управляющих тем, как клетки дифференцируются в ответ на химические сигналы. Группа Калифорнийского технологического института продемонстрировала искусственная сеть генов которые могли бы стабильно трансформировать стволовые клетки в ряд более специализированных типов клеток. Они не определили, что такое естественная система генетического контроля в клетках, но успех их модели доказывает, что какой бы ни была реальная система, она, вероятно, не должна быть намного сложнее.

Мозг — самый энергоемкий орган в теле, поэтому, возможно, неудивительно, что эволюция разработала чрезвычайную стратегию, чтобы помочь мозгу справиться с длительными периодами дефицита пищи. Исследователи из Эдинбургского университета обнаружили, что, когда мышам приходится неделями питаться небольшим рационом, их мозг начинает работать в режиме, эквивалентном режим «малой мощности». 

В этом состоянии нейроны зрительной коры используют на своих синапсах почти на 30% меньше энергии. С инженерной точки зрения это отличное решение для увеличения энергетических ресурсов мозга, но есть одна загвоздка. По сути, режим с низким энергопотреблением снижает разрешение зрения животного, снижая точность обработки сигналов зрительной системой. 

Инженерный взгляд на мозг также недавно улучшил наше понимание другой сенсорной системы: нашего обоняния. Исследователи пытались улучшить способность компьютеризированных «искусственных носов» распознавать запахи. Одни только химические структуры имеют большое значение для определения запахов, которые мы связываем с различными молекулами. Но новая работа предполагает, что метаболические процессы которые создают молекулы в природе, также отражают наше чувство запаха молекул. Нейронные сети, которые включали метаболическую информацию в свой анализ, значительно приблизились к классификации запахов так, как это делают люди.

Живой человеческий мозг до сих пор невероятно труден для изучения нейробиологами: череп мешает обзору, а этические соображения исключают проведение многих потенциально информативных экспериментов. Вот почему исследователи начали выращивать в лаборатории изолированную мозговую ткань и формировать из нее «органоиды», физические и электрические сходные с настоящим мозгом. В этом году нейробиолог Серджиу Пашка и его коллеги показали, насколько далеко заходит это сходство, имплантировав органоиды головного мозга человека у новорожденных лабораторных крыс. Человеческие клетки интегрировались в нейронную сеть животного и взяли на себя роль в его обонянии. Более того, пересаженные нейроны выглядели более здоровыми, чем растущие в изолированных органоидах, что предполагает, как отметил Пашка в Интервью Quanta, важность обеспечения нейронов входами и выходами. Работа указывает путь к разработке лучших экспериментальных моделей человеческого мозга в будущем.