Рік біології

Наші спогади є наріжним каменем нашої ідентичності. Їх важливість є значною частиною того, що робить хворобу Альцгеймера та інші форми деменції такими жорстокими та гострими. Ось чому ми так відчайдушно сподівалися, що наука зможе знайти ліки від хвороби Альцгеймера, і чому це так засмучує та трагічно, що корисні методи лікування з’являються повільно. Тому велике хвилювання викликало оголошення у вересні про те, що новий препарат, леканемаб, уповільнив прогресування захворювання в ході клінічних випробувань. Якщо його схвалить Управління з контролю за якістю харчових продуктів і медикаментів, леканемаб стане лише другим засобом лікування Альцгеймера, який протидіє бета-амілоїдному білку, який, як вважають, є причиною захворювання. 

Проте ефекти леканемабу настільки незначні, що дослідники сперечаються, чи справді препарат матиме практичну користь для пацієнтів. Той факт, що леканемаб виділяється як яскрава пляма, говорить про те, наскільки похмурою була велика частина історії досліджень лікування хвороби Альцгеймера. Тим часом глибше розуміння біології, що діє, підігріває інтерес до провідних альтернативних теорій про причини захворювання.

Роздуми про те, як працює пам’ять, принаймні такі ж давні, як Платон, який в одному зі своїх сократівських діалогів писав про «дар пам’яті, матері муз», і порівнював її дію з восковою печаткою в душі. Ми можемо бути вдячні за те, що наука значно покращила наше розуміння пам’яті з часів Платона — з восковими штампами, з «енграмами» змін у наших нейронах. Лише за минулий рік дослідники досягли захоплюючих успіхів у дослідженні того, як і де в мозку знаходяться різні аспекти нашої пам’яті. Що ще більш дивно, вони навіть знайшли біохімічні механізми, які відрізняють хороші спогади від поганих.

Оскільки ми істоти з мозком, ми часто думаємо про пам’ять у суто неврологічних термінах. Проте робота, опублікована на початку 2022 року дослідниками з Каліфорнійського технологічного інституту, свідчить про те, що навіть окремі клітини в тканинах, що розвиваються, можуть нести деякі записи історії свого роду. Схоже, що ці стовбурові клітини покладаються на цю збережену інформацію, коли вони стикаються з рішенням про те, як спеціалізуватися у відповідь на хімічні сигнали. Досягнення біології за останній рік також показали багато інших сюрпризів, включаючи розуміння того, як мозок адаптується до тривалої недостатності їжі та як клітини, що мігрують, йдуть по організму. Варто озирнутися на деякі з найкращих із цієї роботи, перш ніж одкровення наступного року знову дадуть нам новий погляд на себе.

Багато людей, пов’язаних із хворобою Альцгеймера через дослідження чи через особисті зв’язки з пацієнтами, сподівалися, що 2022 рік стане знаменним роком. Великі клінічні випробування нарешті показали, чи спрацювали два нові ліки, спрямовані на усунення першопричини захворювання. Результати, на жаль, не виправдали очікувань. Один із препаратів, леканемаб, продемонстрував потенціал для незначного уповільнення когнітивного зниження деяких пацієнтів, але також був пов’язаний із іноді летальними побічними ефектами; інший, гантенерумаб, був визнаний повним провалом. 

Невтішні результати завершують три десятиліття досліджень, які значною мірою базуються на теорії про те, що хвороба Альцгеймера спричинена бляшками амілоїдних білків, які накопичуються між клітинами мозку та вбивають їх. Проте все більше доказів свідчать про те, що амілоїд є лише одним компонентом a набагато складніший процес захворювання що включає пошкодження запалення та збої в тому, як клітини переробляють свої білки. Більшість із цих ідей існують так само довго, як і гіпотеза про амілоїд, але вони лише починають отримувати увагу, на яку вони заслуговують.

Насправді скупчення білків навколо клітин починають виглядати як майже універсальне явище Згідно з роботою дослідників Стенфордського університету, про яку було оголошено минулої весни в препринті, це не є станом, характерним для амілоїду та хвороби Альцгеймера. Спостереження може бути ще одним доказом того, що погіршення проблем з управлінням білком може бути звичайним наслідком старіння клітин.

Нейробіологи давно зрозуміли багато про те, як формується спогад — у принципі. Вони знають, що коли мозок сприймає, відчуває та думає, нейронна активність, яка породжує цей досвід, зміцнює синаптичні зв’язки між залученими нейронами. Ці тривалі зміни в наших нейронних ланцюгах стають фізичними записами нашої пам’яті, що дає змогу повторно викликати електричні схеми нашого досвіду, коли вони потрібні. Проте точні деталі цього процесу залишаються загадковими. На початку цього року ситуація змінилася, коли дослідники з Університету Південної Каліфорнії описали техніку для візуалізація цих змін як вони відбуваються в живому мозку, який вони використовували, щоб спостерігати, як риба вчиться асоціювати неприємну спеку зі світловим сигналом. На їх подив, хоча цей процес зміцнив одні синапси, він видалив інші. 

Інформаційний вміст пам’яті – це лише частина того, що зберігає мозок. Спогади також закодовані з емоційна «валентність» що класифікує їх як позитивний або негативний досвід. Минулого літа дослідники повідомили, що рівні однієї молекули, що вивільняється нейронами, називається нейротензин, здається, діють як прапорці для цього маркування. 

Життя на Землі почалося з появи перших клітин приблизно 3.8 мільярда років тому. Але, як це не парадоксально, до того, як з’явилися клітини, мали бути набори молекул, які робили напрочуд реалістичні речі. Протягом останнього десятиліття дослідники в Японії проводили експерименти з молекулами РНК, щоб дізнатися, чи може один тип молекули, що реплікується, еволюціонувати в натовп різних реплікаторів, як теоретизували дослідники походження життя, це мало статися в природі. Японські вчені виявили, що ця диверсифікація дійсно відбулася, коли різні молекули разом еволюціонували в конкуруючих хазяїв і паразитів, які підвищувалися і падали в домінуванні. У березні минулого року вчені повідомили про нову розробку: різні молекули почали працювати разом у a більш стабільна екосистема. Їхня робота припускає, що РНК та інші молекули в пребіотичному світі також могли спільно еволюціонувати, щоб закласти основи клітинного життя.

Самовідтворення часто розглядається як важливий перший крок у будь-якій гіпотезі походження життя, але це не обов’язково. Цього року Нік Лейн та інші еволюційні біологи продовжували знаходити докази того, що до того, як клітини існували, системи «протометаболізму» за участю складних наборів енергетичних реакцій могло виникнути в пористих матеріалах поблизу гідротермальних джерел.

Як одна запліднена яйцеклітина виростає в тіло дорослої людини з понад 30 трильйонами клітин у понад 200 спеціалізованих категоріях? Це квінтесенція таємниці розвитку. Протягом більшої частини минулого століття переважаючим поясненням було те, що хімічні градієнти, встановлені в різних частинах організму, що розвивається, спрямовують клітини туди, де вони потрібні, і вказують їм, як диференціюватись на складові шкіри, м’язів, кісток, мозку та інших. органів. 

Але хімікати тепер, здається, це лише частина відповіді. Нещодавні дослідження показують, що, хоча клітини використовують підказки хімічного градієнта, щоб керувати своєю навігацією, вони також слідують моделі фізичної напруги в тканинах, що їх оточують, як канатоходці, що перетинають натягнутий трос. Фізична напруга не тільки вказує клітинам, куди йти. Інша робота, про яку повідомлялося в травні, показала, що механічні сили всередині ембріона також допомагають спонукати набори клітин до стають специфічними структурами, наприклад пір'я замість шкіри.

Тим часом синтетичні біологи — дослідники, які використовують інженерний підхід до вивчення життя — досягли значного прогресу в розумінні видів генетичних алгоритмів, які контролюють те, як клітини диференціюються у відповідь на хімічні сигнали. Команда Каліфорнійського технологічного інституту продемонструвала штучна мережа генів які могли б стабільно трансформувати стовбурові клітини в декілька більш спеціалізованих типів клітин. Вони не визначили, що таке природна система генетичного контролю в клітинах, але успіх їхньої моделі доводить, що якою б не була справжня система, вона, ймовірно, не повинна бути набагато складнішою.

Мозок є найбільш енергоємним органом у тілі, тому, мабуть, не дивно, що еволюція розробила екстрену стратегію, щоб допомогти мозку впоратися з тривалими періодами дефіциту їжі. Дослідники з Единбурзького університету виявили, що коли мишам доводиться виживати на невеликому раціоні тижнями поспіль, їхній мозок починає працювати еквівалентно режим «малої потужності».. 

У цьому стані нейрони зорової кори використовують майже на 30% менше енергії у своїх синапсах. З інженерної точки зору, це гарне рішення для збільшення енергетичних ресурсів мозку, але тут є підступ. По суті, режим низького споживання знижує роздільну здатність зору тварини, змушуючи зорову систему обробляти сигнали менш точно. 

Інженерний погляд на мозок також нещодавно покращив наше розуміння іншої сенсорної системи: нашого нюху. Дослідники намагалися покращити здатність комп’ютеризованих «штучних носів» розпізнавати запахи. Самі по собі хімічні структури значною мірою допомагають визначити запахи, які ми асоціюємо з різними молекулами. Але нова робота свідчить про те, що обмінні процеси які створюють молекули в природі, також відображають наше відчуття запаху молекул. Нейронні мережі, які включали метаболічну інформацію у свій аналіз, значно наблизилися до класифікації запахів так, як це роблять люди.

Живий людський мозок все ще є неймовірно важкою справою для нейробіологів: череп заважає їм бачити, а етичні міркування виключають багато потенційно інформативних експериментів. Ось чому дослідники почали вирощувати ізольовану мозкову тканину в лабораторії та дозволити їй утворювати «органоїди», фізичні та електричні подібні до реального мозку. Цього року нейробіолог Серджіу Пашка та його колеги показали, наскільки ці подібності заходять, імплантувавши органоїди мозку людини у новонароджених лабораторних щурів. Клітини людини інтегрувалися в нейронні системи тварин і взяли на себе роль в її нюху. Крім того, трансплантовані нейрони виглядали здоровішими, ніж ті, що ростуть в ізольованих органоїдах, що свідчить про те, як зазначив Пашка в інтерв'ю з Quanta, важливість забезпечення нейронів входами та виходами. Робота вказує шлях до розробки кращих експериментальних моделей людського мозку в майбутньому.