Задоволення чи біль? Він створює карту нейронних ланцюгів, які приймають рішення. | Журнал Quanta

Із дитинства Ішмаїл Абдус-Сабур був зачарований різноманітністю природного світу, коли він ріс у Філадельфії. Прогулянки на природі, які він здійснював під опікою свого вчителя третього класу містера Мура, захопили його. «Ми повинні взаємодіяти з дикою природою та бачити тварин у їхньому рідному середовищі», — згадував він. Абдус-Сабур також привів у свій триповерховий будинок цілий звіринець істот — котів, собак, ящірок, змій і черепах — і заощадив гроші на покупку журналу, який навчав його про черепах. Коли дорослі запитали його, ким він хоче стати, коли виросте, він сказав: «Я сказав, що хочу стати вченим». «Я завжди піднімав брови».

Абдус-Сабур не відступив від цієї мети. Сьогодні він є доцент кафедри біологічних наук в Інституті поведінки мозку Мортімера Б. Цукермана при Колумбійському університеті, де він навчається як мозок визначає чи є дотик до шкіри болючим чи приємним. «Хоча це питання є фундаментальним для людського досвіду, його залишається незрозумілим, щоб пояснити його із задовільними молекулярними деталями», — сказав він. Оскільки шкіра є нашим найбільшим сенсорним органом і головним каналом зв’язку з навколишнім середовищем, вона може містити підказки для лікування станів від хронічного болю до депресії.

Щоб знайти ці підказки, Абдус-Сабур досліджує нервову систему на кожному етапі вздовж осі «шкіра-мозок». Він не зосереджується лише на шкірі чи лише на мозку, як це роблять багато інших. «Ми поєднуємо ці два світи», — сказав він. Цей підхід, додав він, вимагає оволодіння двома наборами технік, читання двох наборів літератури та відвідування двох наборів наукових зустрічей. «Це дає нам унікальну перевагу», — сказав він. Це призвело до а орієнтирний папір опубліковано минулого року в Осередок який виклав усю нейронну схему для приємного дотику.

Абдус-Сабур також був піонером a нова кількісна міра болю на мишах, інструмент, який він і його команда адаптували для збору доказів успадкування опіоїдної залежності від покоління до покоління. Його результати на гризунах натякають на те, що надмірне вживання опіоїдів батьками може змінити експресію генів таким чином, що піддасть ризику дітей.

Одержувач численних нагород за свої досягнення, Абдус-Сабур був названий до вступного класу Медичного інституту Говарда Хьюза Науковці Фрімана Грабовського минулого травня. Нагорода надає до 8.6 мільйонів доларів протягом десятиліття дослідникам, які починають свою кар’єру, чиї лабораторії сприяють різноманітності та інклюзії.

Quanta поговорив з Абдус-Сабуром про його схильність розпочинати науку заново, момент еврики риби зебри та його надії на нещодавно імпортовану голу колонію слеписів. Інтерв’ю було скорочено та відредаговано для ясності.

Коли ви були дитиною, батьки підтримували ваш інтерес до науки?

Вони, звичайно, зробили. Я б почав отримувати тварин як подарунки на день народження, тому що вони бачили, як я ними захоплююся. Перемотування вперед до середньої школи. У дев’ятому класі мої батьки дозволили мені зайняти третій поверх нашого будинку для річного проекту наукового ярмарку, який я робив для біології з відзнакою. У мене всюди були сотні раків. Мої батьки не вчені, але вони дуже підтримували мої ескапади та пригоди в науковій сфері.

Чим займаються твої батьки?

Моя мама працює фінансовим директором в бухгалтерській фірмі. Мій тато був актуарієм до виходу на пенсію. Тож я, можливо, успадкував математичні нахили. Щоб приблизно оцінити біль тварини, ми робимо статистичне моделювання, щоб стиснути особливості її поведінки в єдину зручну для читання шкалу. Мій тато приходив на деякі з моїх виступів, і хоча біологія часто над головою, він дуже захоплений математичною частиною моєї роботи.

Як коледж вплинув на вашу кар'єру?

Я відвідував історично чорний коледж Північної Кароліни A&T. Я походжу з роду людей, які навчалися в таких університетах. Мої батьки навчалися в університеті Говарда. Так і моя тітка. Дядько навчався в університеті штату Вірджинія, а мій дід – в університеті Лінкольна. Я не знаю, чи був у мене вибір, окрім як вступити до одного з цих університетів.

І все ж я вважаю, що це було мудре рішення. Це підвищило мою впевненість у собі, коли я бачив, як люди, схожі на мене, почуваються справді добре. І культура коледжу – це виховання, а не змагання. Викладачі дбають про вас. Студенти працюють разом і хочуть бачити успіх один одного.

Ви проводили дослідження в коледжі?

Так. Я знав, що дослідницький досвід важливий, тому протягом мого першого місяця в університетському містечку я ходив від дверей до дверей і запитував викладачів про можливості дослідження. Я влаштувався працювати на свиноферму. Це смішно, тому що я не їм свинину, але я вивчав, чи зміна раціону свиней змінила смак їхнього м’яса.

У той час я загравав з ідеєю стати ветеринаром. Тож на другому курсі я працював у ветеринарних лікарнях, де стерилізував тварин, очищав їх. Тоді я зрозумів, що захоплення наукою, яке я відчував у дитинстві, не було. Я не був закоханий у цю роботу.

Але між молодшим і старшим курсами я працював у лабораторії молекулярної біології в Університеті Пенсільванії, і лампочка згасла. Я подумав: «Ого, людям платять за те, що вони обдумують великі ідеї та намагаються знайти рішення проблем, важливих для здоров’я людини». Я пам’ятаю, як сказав батькам: «Ось і все. Я хочу отримати ступінь доктора філософії. з молекулярної біології».

Що спонукало вас вивчати задоволення та біль?

Це була трохи звивиста дорога. Я отримав ступінь доктора філософії. в Університеті Пенсільванії, вивчаючи молекулярний шлях у круглих черв’яків, який бере участь у розвитку клітини. Гени білків цього шляху мутують щонайменше в 30% ракових захворювань людини. Моя робота продемонструвала, як ці шляхи контролюють основний тип і форму клітини. Я був першим у цій лабораторії, хто вивчав цей шлях, тому мені довелося створювати багато інструментів з нуля. Це було темою протягом усієї моєї кар’єри: ​​мені подобається планувати нові курси.

А наступний курс, який ви склали, привів вас до нейронаук. чому

Здавалося, що нейронаука переживає свій золотий вік. Люди з різних дисциплін збиралися разом, щоб досліджувати мозок, але здавалося, що запитань усе ще більше, ніж відповідей, тож я мав можливість вплинути. Я перейшов до сенсорної нейронауки частково через її логічну простоту: рецептори в шкірі активуються, а потім ви якимось чином отримуєте сприйняття в мозку після серії реле. З сенсорних систем дотик вивчений найменше. Деякі великі питання все ще залишаються відкритими.

Як ви компенсували свій недолік знань?

Спочатку я був невпевнений у тому, що у мене немає формальної підготовки. Будучи постдокторантом, я ніколи не відвідував уроки нейронаук. На зустрічах і в розмовах з неврологами я часто виявляв, що не можу встигати. Я не знав жаргону. Але я регулярно зустрічався з Майкл Нусбаум, директора біомедичних досліджень у Пенсильванії, після того, як попросив його наставити мене. Одного разу у своєму кабінеті він запропонував навчати мене неврології. Протягом двох годин на тиждень протягом року ми обговорювали статті з нейронауки, починаючи з 1970-х і 1980-х років. Так я навчився нейронаук. Це надихнуло мене сказати: «Добре, я нейробіолог».

Я афроамериканець. Майкі Нусбаум — білий єврей із Нью-Йорка. Іноді люди в житті, які вас найбільше підтримують, можуть не мати прямого зв’язку з вами та вашою культурою.

Як ви придумали свою шкалу болю?

За свою роботу з болем я зробив крок назад. Якщо ми збираємося використовувати мишей для вивчення болю та потенційно розробки нових знеболюючих, нам спочатку потрібно відповісти на запитання: як ми дізнаємося, що тварина відчуває біль? Традиційно дослідники дивляться на те, як часто тварина відводить лапу від подразника, але тварини рухають лапами з різних причин. І оскільки не було стандартизації, різні лабораторії вирішували, що той самий стимул був нешкідливим, болісним або дуже болісним залежно від експерименту. Тому я сказав: «Нам потрібно розробити абсолютно нову систему».

Як у вас виникла ідея про це?

Я отримав ідею від Майкл Гранато, нейробіолог із Пенсільванського університету, чия лабораторія була неподалік нашої. Він вивчав акустичну реакцію здригання у личинок риби даніо. Я пішов на лабораторне засідання, на якому Рошан Джайн, який тоді був постдоктором у лабораторії Гранато, а зараз викладачем у Гаверфордському коледжі, розповідав про використання високошвидкісної відеозйомки для захоплення відповідних рухів, які надто швидкі, щоб оцінити неозброєним оком. Я зрозумів, що ми можемо використати той самий підхід, щоб записати рухи тварини у відповідь на шкірний подразник, і використати ці рухи, щоб приблизно оцінити біль тварини. Це відкрило цілий новий світ.

Якби я не пішов на ту зустріч із вченим про рибок зебру, я б ніколи не прийшов до цієї ідеї. Я й досі ходжу на доповіді й слухаю, як люди говорять про черв’яків, мух, рибу, дріжджі, бактерії — що завгодно — тому що, можливо, я навчуся чогось, що зможу інтегрувати в нашу роботу. Ганьба сучасної науки полягає в тому, що кожен надмірно зосереджений на своїй системі, своєму підході, своєму організмі, своїй дисципліні. Це може пригнічувати інновації, якщо люди не мають загальної підготовки та не виходять за межі своєї зони комфорту.

Як ви пов’язали рухи миші з її досвідом, щоб створити шкалу для вимірювання болю?

По-перше, ми перевірили, що подразник, який вважається нешкідливим, як-от дотик м’якої щітки для макіяжу, активував нейрони дотику в шкірі тварини, а голка, яка проколювала шкіру, активувала нейрони болю. Потім ми записували рухи тварини у відповідь на кожен подразник. Від болю тварина кривлялася, швидко відводила лапу й енергійно нею трясла. Ми дали числове значення кожному типу руху, швидкості відведення та кількості поштовхів лапою. Потім ми надали кожному числу числову вагу, власне значення, засноване на тому, наскільки важливою була ця характеристика для рівня болю, а потім об’єднали зважені значення в єдину кількісну міру болю.

Як ви бачите використання цього нового інструменту?

Є дві речі, які нас дуже хвилюють. Одна з них — вивчення генетичної мінливості як рушія болю. Глобальна популяція людей має дуже різну чутливість до болю. Дещо з цього є соціокультурним, але дещо закладено в ДНК. Наприклад, люди, які взагалі не відчувають болю, мають генетичні мутації, які лежать в основі цієї риси. У моїй лабораторії ми використовували нашу шкалу болю, щоб виміряти чутливість до болю приблизно 20 різних ліній мишей. Ми ідентифікували мишей, які не дуже реагують на біль, і інших, які мають підвищену чутливість. Ми використовуємо методи генетичного картування, щоб знайти нові гени, які можуть лежати в основі цієї чутливості до болю.

Ми також дуже захоплені тим, як мозок контролює перехід від гострого болю до хронічного. Ми використовуємо нашу шкалу болю, щоб виміряти рівень болю у миші, а потім робимо знімок активності мозку миші за допомогою функціональної магнітно-резонансної томографії. Ми щодня знімаємо тварин, щоб знайти моделі мозкової діяльності, які лежать в основі переходу від гострого болю до хронічного. Як тільки ми їх знайдемо, ми можемо спробувати змінити їх, щоб змінити перебіг хронічного болю. Нас цікавлять як емоційні, так і сенсорні компоненти цього болю.

Чи вивчали ви також неболючі дотики?

Так, у нашій останній Осередок папері, ми перейшли від шкіри до мозку, щоб пояснити, чому деякі форми дотику є корисними.

Дивно, що цього не було зроблено раніше.

Молекулярне вивчення дотику все ще перебуває у відносному зародковому стані. Молекулярні особливості різних класів сенсорних нейронів були ідентифіковані лише наприкінці 2000-х років. Відтоді велика увага приділяється дискримінаційному дотику, типу дотику, який використовується, щоб відрізнити чверть від монети на основі текстури. Соціальне погладжування вивчено вкрай недостатньо.

Як розпочався цей проект?

Девід АндерсонУ 2013 році дослідники з Каліфорнійського технологічного інституту повідомили, що певні клітини шкіри реагують на ніжний дотик. Але вони не залучали ці клітини до будь-якої природної поведінки чи зв’язку з мозком. Я прочитав статтю і вирішив спробувати заповнити ці прогалини. На останньому курсі постдокументації я генетично модифікував мишей, щоб мати нейрони м’якого дотику, які реагували на синє світло. Мій план полягав у тому, щоб стимулювати нейрони синім світлом і подивитися, що роблять миші.

Коли я створив власну лабораторію у 2018 році, ми були готові розпочати ці експерименти. Я досі пам’ятаю той день, коли студенти зайшли до мене в офіс, щоб показати мені, що вони знайшли. Це був момент еврики. Коли ми активували нейрони через шкіру на спині мишей, тварини поводилися так, наче їх там гладили. Це запустило весь проект. Ми провели набагато більше поведінкових тестів і простежили шлях соціального дотику від шкіри до спинного мозку до центрів винагороди в мозку.

Чи має виявлення цього шляху від шкіри до мозку якісь медичні наслідки?

Так, шкіра є хорошою терапевтичною мішенню. Він доступний і забезпечує прямий шлях до тієї частини мозку, яка змушує нас почуватися добре. Що, якби ми могли ввімкнути ці нейрони за допомогою крему для шкіри, щоб покращити психічне здоров’я — скажімо, щоб компенсувати шкоду, спричинену соціальною ізоляцією, або лікувати тривогу чи депресію? Коли я виступав про це в грудні, психіатри та нейрофармакологи в аудиторії були в захваті від терапевтичного потенціалу.

У вас є колонія голих землекопів. Що ти з ними робиш?

Голі землекопи родом зі Східної Африки. Вони живуть під землею і, по суті, сліпі, в основному покладаються на дотик, використовуючи схоже на вуса волосся, щоб орієнтуватися в своїх норах і взаємодіяти один з одним. Дотик займає область їхнього мозку втричі більшу, ніж у інших ссавців. Ми вважаємо, що дотик важливий для формування їхньої спільної соціальної структури.

Ми також зацікавлені в них, оскільки сліпаки не відчувають деяких форм болю. Наприклад, вони не виявляють больової реакції на молекулу капсаїцину, активний інгредієнт гострого перцю, який є досить болючим для більшості ссавців. У їхній шкірі є рецептори, які реагують на капсаїцин, тому я припускаю, що у тварин є мозкові шляхи, які вимикають біль. Якщо ми зможемо знайти та задіяти ці сигнали, ми можемо знайти новий спосіб блокувати біль.

Як молодому досліднику, які перешкоди вам довелося подолати, наукові, соціальні чи культурні?

Загалом, мені дуже пощастило мати наставників і колег усіх рас, національностей і статі, які вірили в мене і підтримували. Мені пощастило більше, ніж деяким іншим недостатньо представленим меншинам, які працювали в дійсно складних умовах, і через це сьогодні їх тут немає.

Тим не менш, я не пройшов неушкодженим. Університетська міліція зупинила мене й переслідувала мене, оскільки вважала, що я не належу до кампусу. Мене зупинили в моїй власній будівлі та викликали представників влади. Більшість інших темношкірих вчених, яких я знаю, мали дуже подібний досвід. Такі речі трапляються не лише в університеті, але й у районі, де я живу, і коли вони трапляються, вони не почуваються добре та можуть викликати гнів і розчарування. Але у мене завжди була мережа людей, які підтримували мене і допомагали мені проштовхнути ті відносно небагато випадків у моїй кар’єрі, коли я стикався з таким відвертим расизмом.

У вас є поради для початківців чорних вчених?

Небо це межа. Не озлобуйтеся, якщо ви озирнетеся навколо і не побачите багато людей, схожих на вас, тому що це змінюється. Оточіть себе хорошими людьми. Іноді ці люди будуть схожі на вас, але не дивуйтеся, якщо деякі з ваших найбільших прихильників ні. Будьте відкритими та встановлюйте правильні зв’язки.

І не руйнуйте власні мрії. Нам потрібні люди з усіх верств суспільства, з усіх верств суспільства, тому що перед нами стоять складні проблеми. Я хотів би закликати темношкірих вчених або будь-яку людину, яка зацікавлена ​​в цій роботі: якщо ви маєте до неї любов і пристрасть, продовжуйте.