Будущее за киборгами и бэтменами. Биолог о главных научных событиях года

Миллион киборгов к 2030 году

Киборги — люди, которые носят в теле электронные компоненты. За одним из таких людей я давно наблюдаю. Его зовут Ян Бурхарт (Ian Burkhart). Он паралитик, и ему одному из первых подключили к головному мозгу чип, позволяющий управлять руками. 

В апреле 2020 года Ян снова попал в новости — он стал первым киборгом, которому установили на чип обновленную прошивку с новыми функциями. 

Для того, чтобы подключиться к компьютеру и снова управлять своим телом, Ян решился на тяжёлую операцию. Ему просверлили череп и вживили в мозг разъём для чипа. Через чип мысль —  «я хочу пошевелить рукой» — посылается в компьютер, который стимулирует мышцы руки электродами. После трёх недель реабилитации Ян смог впервые за несколько лет усилием мысли пошевелить рукой. Постепенно взаимодействие мозга и рук Яна с компьютером улучшалось. Он смог пользоваться кредитной карточкой и даже играть в Guitar Hero. 

В ходе эксперимента обнаружилось несколько проблем. У Яна отсутствовало осязание — он мог двигать рукой, но не чувствовал её. Как вернуть осязание, если чип находится в двигательной, а не в осязательной области мозга? Учёные стали анализировать на компьютере сигналы, получаемые из мозга киборга, и заметили среди мыслей о движении рукой дополнительный трафик. Оказалось, что в теле Яна повреждены не все осязательные волокна, но «рабочих» волокон было недостаточно для того, чтобы мозг мог «почувствовать» прикосновение к предмету. Однако тихие сигналы о прикосновении всё равно попадали в осязательную кору. Более того — эти сигналы поступали и в двигательную кору головного мозга. Учёные с помощью AI научили компьютер считывать и фильтровать осязательный трафик с чипа Яна. 

На схеме ниже изображено, как работает осязание киборга. Киборг берёт в руку стакан с водой. Осязательный трафик поступает в мозг, но слишком слабый — мозг его не считывает. Информация о трафике отправляется в компьютер, который в свою очередь направляет её на красную манжетку на правом бицепсе киборга. Манжетка сильно сжимается — киборг чувствует предмет в своей руке.

Всё это очень впечатляет, но есть один нюанс — «интерфейс киборга» доступен Яну только в лаборатории. Из хороших новостей: чип прослужил гораздо дольше, чем ожидалось — мозг не отвергал «железо» на протяжении нескольких лет.     

Ожидается, что эксперимент, в котором Ян принимает участие, позволит улучшить жизнь людей с ограниченными возможностями. Кроме того, подобные опыты дают массу важной информации о работе мозга.

Через 10 лет число киборгов в мире может увеличиться до миллиона. Пока речь идёт об установке компьютерных интерфейсов в тела инвалидов, но когда-нибудь чипы смогут расширить возможности и здоровых людей. 

Новая печень за время прогулки 

2020-й — насыщенный год для изучения органоидов (органоиды — органы, выращенные в лабораторных условиях — dev.by). 

Пока я гуляю по улице, в лаборатории могут вырастить мою печень. Для этого потребуется всего лишь кусочек моей кожи или немножко клеток костного мозга. Клетки можно перепрограммировать в стволовое состояние — в таком виде они существовали, когда я был эмбрионом. Тогда клеток было всего несколько, и они ещё не знали, кем каждая станет: печенью, нейронами, сердцем или мышцами. 

Учёные научились перепрограммировать клетки (сначала мышей, а потом и людей) довольно давно — 15 лет назад. Трансформированные стволовые клетки ещё называют «яманаковскими» — по фамилии японского биолога Синъя Яманака, который их открыл. Учёные научились из «комка» таких клеток выращивать любые органы. Правда, органы не совсем настоящие —  они крошечные, размером с рисовые зёрна.

В этом году было сделано несколько важных экспериментов над органоидами. Впервые выращенная в лабораторных условиях печень человека была пересажена животному. В организме крысы печень прожила несколько дней и помогала переваривать корм, пока не была убита иммунитетом. Оказалось, что необязательно больному человеку пересаживать целую печень. Достаточно подсадить в организм небольшой комок здоровой печени, чтобы запустить процесс регенерации. 

Немецкие учёные научились создавать целые массивы органоидов. Почему это важно? Например, у человека обнаружили рак кишечника. Можно взять биопсию ткани, затем вырастить тысячи маленьких кишечничков с опухолью и провести масштабный скрининг — с помощью роботов добавить в каждый органоид разные лекарства и найти подходящее для конкретного органа конкретного человека. 

Или другой эксперимент. Учёные заразили печени, кишечники и мозги огромного количества людей COVID-19. При этом сами люди не участвовали в эксперименте — опыт проводился в лаборатории над их органоидами. 

Оказалось, что ковид способен заражать клетки мозга. Это плохая новость, потому что раньше заражение органов вирусом связывали с работой иммунитета. Теперь стало понятно, что ковид поражает органы напрямую. Но хорошая новость состоит в том, что в рамках этих исследований провели скрининги огромного числа лекарств и нашли нового кандидата на возможное противовирусное лечение: существующий препарат, иматиниб, обычно применяемый при раке легкого. Это открытие было бы невозможно без массового производства органоидов и механизированного скрининга тысячи лекарств.   

Как летучие мыши учат людей быть толерантными к вирусам

В эти недели меня занимает вопрос о том, как вирусы живут в летучих мышах и почему эти животные являются таким фантастическим рассадником коронавируса? 

За историю человечества летучие мыши передали людям уже 7 коронавирусов. 3 из них вызвали серьёзные эпидемии в 21 веке, а ещё 4 вызывают у людей сезонные простуды (это не меньше 20% сезонных простуд). Как и COVID-19, простуды до сих пор не имеют противовирусного лечения. 

Летучие мыши живут с огромным количеством вирусов в крови  (некоторые из них— смертельны для других млекопитающих) и прекрасно себя чувствуют. В ходе экспериментов летучих мышей заражали вирусами — у них даже не поднималась температура (в частности, потому что у них она всегда очень высокая — 40 градусов). Такая вирусоустойчивость имеет негативный эффект для остальных млекопитающих, в том числе и людей: летучие мыши — это рассадник болезней. 

Мы привыкли думать, что вирусы несут для людей угрозу. Но «философия» летучих мышей подсказывает нам, что, быть может, стоит научиться жить с вирусами более мирно. Такая идея толерантности в противовес идеи ксенофобии. 

Когда вирус попадает к нам в тело, иммунитет начинает с ним войну. И непропорциональный иммунный ответ на вирусное вторжение часто убивает человека. Похоже, что летучие мыши умеют давать очень сбалансированный иммунный ответ вирусу. 

Летучие мыши — удивительные существа. Они живут по 40 лет (обычные мыши — по 2 года). Они летают, и поэтому имеют очень высокий уровень метаболизма. Они не болеют раком и мирно живут с вирусами. Оказывается, эти три вещи — звенья одного механизма, а именно — удивительно устроенного воспаления. 

Организм летучих мышей всегда немного воспалён (повышение воспаления  (аутоиммунности) организма — один из маркеров старения человека). Повышенный метаболизм позволяет летучим мышам выводить из организма избыток свободных радикалов, которые накапливаются в результате повышенного воспаления. В человеческом организме количество свободных радикалов увеличивается с возрастом и разрушает клетки. Из-за высокой температуры и сердцебиения вирусы в теле мышей не могут сильно размножиться и стать смертельными. Кроме того, летучие мыши разными способами обучают свой иммунитет не давать сильный ответ на проникновение новых вирусов.