Заглянуть клещу в мозг

Трепанация панциря

— Сначала клеща нужно закрепить, — говорит Татьяна Запара, глядя в микроскоп-бинокуляр на животное размером миллиметра два. Закрепляет его она скобочкой на чашке Петри. Потом берет в руки скальпель и вскрывает клещу панцирь. Потом поднимает на щепочку передние лапки — именно лапками клещ нюхает, а эксперимент будет с запахами.

— Вы не смотрите, что он сейчас не шевелит лапками, — предупреждает Татьяна. — У него болевой шок. Скоро пройдет.

— Хорошо, что они боль не так, как мы, воспринимают, — говорю. — А то жалко было бы.

— Ну, это как сказать… — вступает в разговор Александр Ратушняк. — Сложный вопрос — как они боль воспринимают.

— Александр Савельевич исповедует ту идею, что единицей мышления и обучения является один нейрон, — добавляет Саша.

— Это что — значит, и один нейрон боль чувствует? — спрашиваю я.

Вопрос повисает в воздухе лаборатории биомедицинской информатики Конструкторско-технологического института вычислительной техники Сибирского отделения РАН.

Дунуть на лапу

Я приехал в новосибирский Академгородок, потому что прочел автореферат довольно необычной диссертации — о том, какой запах больше привлекает клещей: мужской или женский. Стало интересно. Автором диссертации оказался исследователь Александр Ромащенко, которого остальные сотрудники ввиду его молодости зовут Сашей.

Другие действующие лица: Александр Ратушняк, заведующий лабораторией, и Татьяна Запара, ведущий научный сотрудник. Ну и клещи, разумеется. Одного из них Татьяна как раз препарирует, а еще десятка полтора ползают в пробирках у лабораторного стола.

— Как они по-домашнему у вас расположились, — говорю я.

— Так я о них по-домашнему и забочусь, — отвечает она. — Пересаживаю, смотрю, чтобы не пересыхали. Я их неделю так держу. Переворачиваю пробирку время от времени, смотрю, как они двигаются. Те, которые неделю переживут, идут в эксперимент.

Основной же запас клещей хранится в холодильнике: мокрый бинт, на каждом витке которого уложена пара-тройка меленьких животных. Все самки.

Вскрытый клещ расположен «мордой» в лабораторию, под микроскопом видно, что в середине тела находится маленький шарик — это мозг клеща, синганглий. К нему подводят электрод. Причем не просто к мозгу, а к конкретному месту, которое отвечает за запахи. Запахи дозированно подают через трубочку, подведенную к чашке Петри. Называется это у ученых «дунуть».

— Они не реагируют только на запахи, не реагируют только на поток воздуха. А на поток с запахом реагируют, — объясняют они. Через электрод всплеск активности мозга в ответ на каждое дуновение зафиксирует осциллограф.

На столе стоит цифровой прибор, но Татьяна в поисках сигнала от клеща пользуется аналоговым осциллографом советского производства с верньерами, знакомыми нам по фильмам 60-х годов про ученых. Она ставит его на пол вертикально:

— Удобнее так, рядышком.

Сигнал бежит по экрану через мерные промежутки времени. Она одним глазом посматривает на него, когда включает подачу воздуха к лапкам клеща. Клещ никак не реагирует.

— Плохой клещ. Бывает. А вроде живого выбирала… Вот эта штука называется индифферентный электрод, — показывает Татьяна. — Чтобы увеличить площадь контакта — нитка, смоченная в физрастворе. Выглядит не очень красиво, но эффективно. Сейчас модная тема в нейросайнс — интерфейс «мозг — компьютер», и главная проблема там — как совместить электрод с живой тканью. Потому что в мозге ионная проводимость, а в металлическом электроде — электронная. И они не приживаются. У нас этой проблемы нет, потому что физиологический раствор тоже передает ток ионами.

Наконец сигнал получен, лучик на экране вычерчивает загогулину. Потом ее будут обсчитывать и сравнивать с другими сигналами, извлеченными из мозга клеща другими запахами. В день вскрывают одно животное. Получают ответы на несколько раздражителей. На следующий день еще клещ. Пока не наберется серия в несколько десятков.

Жизнь на поверхности

— Жизнь на поверхности сопряжена со сбором информации, — рассказывает Александр Ромащенко. — Один из ее поставщиков — запахи. Вопрос, которым занимаюсь я, вот в чем: по какому типу идет рецепция запахов у паукообразных, к которым относятся и клещи? Какие нервные центры принимают участие, какие нейротрансмиттеры — вещества-посредники — влияют на реакцию животных?

Саша объясняет, что восприятие запаха разное у трех групп животных, независимо друг от друга вышедших на сушу сотни миллионов лет назад, — у паукообразных, насекомых и позвоночных. И, оказывается, про клещей известно на удивление мало. Почти ничего.

— Вообще клещ слеп, — говорит Саша. — Он различает «светло — темно» и больше ничего. И запах для него — первостепенная вещь. У него хемосенсоры на двух передних лапках. Он их поднимает в воздух, крутит-вертит и определяет, что с ветром приносит. Если есть стимул, то есть он чувствует пищу, он готовится прицепиться. Если у клеща рецепция идет по тому же типу, что у млекопитающих, мы это увидим. А практический интерес в том, чтобы в конце концов найти молекулярную мишень, которая прервет этот импульс. Найти репелленты или аккуратно прикончить.

Еще одна работа, которую делает Ромащенко, — изучает влияние патогенов на поведение клеща. Есть данные, что если клещ заражен боррелией, то он меньше двигается, но лучше переносит жару. Обычно клещ активен с восьми до одиннадцати утра и после пяти вечера. Возможно, что у зараженных цикл будет смещен. То есть они будут и в самое жаркое время охотиться.

Чтобы изучать клещей, их нужно для начала поймать. В основном паразит обитает возле троп животных. В ботаническом саду Академгородка, а фактически в лесу, который начинается сразу за институтом, тропинок полно, там ученый и добывает экспериментальный материал. Ловит он их «на флаг» — на палку, к которой примотана ткань, аналогичная вафельному полотенцу. Метр примерно. Он ведет ею по траве вдоль дорожки, клещи цепляются. Метров через десять собирает в мокрый бинт.

— Лучше всего ловить, когда влажно, и примерно после шести вечера, — говорит Александр. — Самый клев!

— А вы прививаетесь? — спрашиваю. Сам я привился от энцефалита, когда ехал в Новосибирск.

— Раньше прививался. Сейчас нет. Я уже кусаный-перекусанный. Дело в том, что энцефалитом у нас заражены только около четырех процентов популяции. А от боррелиоза прививки нет. Но подцепить болезнь Лайма можно только через два часа после того, как клещ начнет пить кровь. Потому что боррелия в слюнных железах практически не локализуется, она живет в желудке. Кровь человеческая должна прийти в желудок, и вместе с ней те вещества, которые помогают боррелии подняться в слюнные железы. Если вы снимете клеща раньше, вероятность заразиться практически нулевая.

— А кроме человека кого клещи едят?

— Человек — это вообще побочный продукт. Какой человек не заметит клеща, который надулся и там блямба на три сантиметра? Это не мыться, что ли? Так что человек — невинная жертва, напитаться он на нас не может. А прокормка у него — любое теплокровное. Ежики часто. Чем хорош еж? Он достаточно крупный, чтобы прокормить на себе много клещей. Известно, что 20% прокормителей содержат 80% паразитов. Чем больше клещей на одном животном, тем меньше иммунный ответ.

Поведенческая активность

Восемь вечера, вся лаборатория в сборе. Причем назавтра на десять утра уже эксперимент назначен. Говорят, что это нормально:

— Ну а что дома делать?!

Саша показывает мне эксперименты по активности клещей.

— Вот, допустим, клещ, — начинает он, — хватает животное из пробирки пальцами и кладет его на стол. Проводит рядом рукой — клещ поворачивает. Чувствует тепло. Саша дует на него, паукообразному это не нравится, он ползет в сторону. Чувствуется, что экспериментатор может так забавляться долго, если его не прервать. Прошу, чтобы все же показал эксперимент, тогда Саша запускает клеща в установку для изучения активности.

Установка представляет собой стойку, в которой горизонтально укреплены штук пятьдесят стеклянных трубочек, закрытых с двух концов. Посередине каждой трубочки фотоэлемент. Клещ ползет, пересекает середину, фотоэлемент выдает факт пересечения границы на компьютер. Потом клещ ползет обратно. И так пять суток. А ведь полвека назад такие штуки считали вручную.

— Потом сравниваем данные по зараженным и незараженным клещам. И смотрим, чем отличается циркадный ритм.

— Вы их как отличаете-то? Зараженных?

— Потом отличаем. Выделяем ДНК у каждого отдельного клеща и ищем ДНК возбудителя… Ну что, следующий тест?

Другая установка — тест на высоту подъема. Стеклянная палочка с небольшим наклоном имитирует травинку. Задача клеща — доползти до того места, где он сможет функционировать. Задача экспериментатора — определить, на какую высоту влезет животное, сколько времени там просидит.

Научно это называется «отрицательный геотаксис», а на обычном языке — клещ хочет жрать. Наш герой ползет, шевелит передними лапами, то есть принюхивается. Дополз до отметки тринадцать сантиметров и остановился. С одной стороны, здесь не так жарко — в нашем случае от лампы, а в природе от солнца. А с другой стороны, здесь можно уцепиться за какое-нибудь животное и поесть, думает клещ. Меня ведь почти убедили уже, что клещ думает.

О чем думает одинокий нейрон

Лаборатория набита старыми и новыми приборами вперемешку. Холодильник ЗИЛ и современный «Кельвинатор». Два вида осциллографов — аналоговый и цифровой. Дорогой манипулятор и скальпели, созданные из цанговых карандашей и крошечных осколков лезвий. Современные компьютеры и «Электроника-60» 1985 года выпуска, пристроенная к какому-то сверхчувствительному датчику. На столе в условном кабинете какие-то платы, рядом паяльник.

— Зачем вам паяльник? — спрашиваю.

— Ремонтировать приборы, — хором отвечают шеф и сотрудник, два Александра.

— Есть установки, которые Александр Савельевич собрал сам, — подтверждает Саша. — А в промышленном исполнении они стоят миллионы.

— У меня образование инженерное, — говорит Ратушняк. Но занимаемся мы нейронными системами. Очень давно начинали, в семидесятые точно уже занимались. Отдельные клетки, нейронные сети, то есть комплексы клеток. И вот до экспериментов, как у Саши, на живом ганглии. Мне важно понять, как нейрон работает. Мы показали, что отдельный нейрон может обучаться. То есть строить ассоциации, выживать в разных условиях, управлять разными приборами. А дальше из таких нейронов строятся сети.

Нейрон — молекулярная машина из полутора тысяч деталей. И все это работает совместно. Сейчас основная гипотеза в том, что работа мозга — передача электрических импульсов. И эффективность работы зависит от эффективности передачи импульса. Когда нейрон живет в культуре, он ищет связи с соседями, он пытается оптимизировать свою жизнь, чтобы ему было комфортно.

— Как это работает на молекулярном уровне, непонятно, — рассказывает Ратушняк. — И нет концепции, хотя каждый год выходят сотни тысяч публикаций на эту тему и тратятся миллиарды на исследования. Это одному человеку нереально освоить. А концепция может родиться только в одном мозгу ученого. Вот проблема. Но мы пытаемся собрать это все воедино, загнать в базы данных и представить графически, наглядно.

— Единицей мышления является отдельная клетка, я говорил, что Александр Савельевич придерживается этой идеи, — вступает Саша.

— Сейчас эта гипотеза находится в состоянии между «это полный бред» и «это всем известно». Мы ведь видим, что уже у простейших есть элемент когнитивности. У организмов из одной клетки. А мозг сложнее одной клетки в степени 86 миллиардов.

Оказывается, в лаборатории уже научили отдельные нейроны облучаться. Сначала раздражали током в определенном порядке, а затем оказывалось, что нейроны этот порядок могут поддерживать и без внешнего раздражителя.

Ратушняк говорит про нейроны примерно так, как Татьяна Запара о клещах: «он делает так», «я думал, что он будет замедлять импульс, а он совсем наоборот сделал»… Да и Саша про своих клещей тоже: то мерзавцами назовет, то поиграет на столе.

— А как вы сюда попали со своими членистоногими? — спрашиваю.

— Саша с нами работает с детства. Он к нам пришел еще школьником, — говорит Ратушняк.

— У меня была идея про пауков, — подключается Саша. — Я участвовал в школьной конференции по биологии. Некоторые пауки плетут общие сети, а некоторые друг друга жрут. Ну, я решил посмотреть, как это они так. Сравнил несколько видов в разных условиях. Увидел, что те, которые живут в антропогенных условиях, как-то, падлы, научаются это понимать и совместно жить. И потом я заметил, что они еще по паутине умеют чувствовать, чья она — самца или самки: подойдет, потрогает лапкой и поймет. Тогда я посмотрел под микроскопом, что у них там на лапках, ну вот и завертелось. Клещи же паукообразные, у них обонятельные органы тоже на лапках. А теперь я такой «наркоман». Мне нравится решать задачи. Даже не очень приоритет волнует, хотя это правильно — быть первым. Но не главный стимул. Перед тобой лежит сто цифр, коррелирующих между собой, а ты находишь общую причину. Я вот смотрю на тех, кто сейчас в науку приходит, и редко вижу такое желание. Я поступал в 2003-м и не хотел ничего другого, только биологию. Хотя я видел, как живут ученые, никаких иллюзий не было.

Половые феромоны, или Пропускать ли женщину вперед

Результаты у Ромащенко, надо сказать, все же передовые.

— Идея родилась у моего второго руководителя, — говорит Александр. — Он работал с японцами, которые ставили эксперименты по влиянию феромонов на старение. В течение длительного времени человек постоянно обонял феромоны противоположного пола — я не помню точно, кажется, мешочек с запахом вешали ему на шею, — и у него замеряли физиологические параметры. Они действительно улучшались. А у меня был проект — реакция клеща на запаховые стимулы. Существует народное поверье, что есть люди, которых кусают чаще, а есть — которых реже. Но вопрос не был изучен даже на уровне, чей запах клещу привлекательнее — мужчины или женщины. Мужской феромон — производное адростенола, женский — смесь жирных кислот, полученных из вагинальных смывов самок приматов.

Эксперименты ставили двух типов: на поведение и на нервный сигнал.

В поведенческих тестах выяснилось, что клещ с удовольствием ползет к женскому запаху и не любит мужской. Это был неожиданный результат, потому что по статистике паразиты кусают мужчин чаще. Видимо, причина в том, что мужчины просто чаще ходят в лес.

А объяснить результат эксперимента не так трудно: в вагинальных смывах содержится изовалериановая кислота, которая является атрактантом — это один из запахов шерсти животных.

— Из этого не следует, что для безопасности в лесу нужно пускать вперед женщину. Наоборот, пройдет она, вся такая благоухающая, возбудит всех клещей, и они, готовые, кинутся на безвинного мужчину, — серьезно сообщает Саша.

Но самые интересные результаты как раз и были получены в сложных экспериментах по регистрации нервной активности. Оказалось, что система реакции на запах у сибирского клеща отличается от таковой у некоторых насекомых. Хотя набор клеток и нейротрансмиттеров у них примерно одинаковый. И это уже важный результат для теории эволюции: получается, что из одних и тех же элементов природа может собрать разные системы в зависимости от задачи.

— А вы это все публикуете? — спрашиваю.

— Ох! — говорят оба Александра.

— У нас читателей больше, чем писателей, — говорит Ратушняк.

— Это моя головная боль, — кивает головой Саша. — Я все время их заставляю публиковаться. Причем в западных журналах. Потому что про наши вообще забыть нужно. Очень часто бывает, что я знаю о какой-то группе, работающей круто, но посмотришь на список их публикаций — плакать хочется. И про них никто ничего не знает, кроме меня и еще двух-трех человек, которые скачали их диссертацию из интернета за 500 рублей.

Потом наедине Саша мне скажет:

— Ну вот, в приличном журнале у нас вышла статья в прошлом году, так это мне пришлось та-а-ак их пихать! Вот то, про что рассказывал Александр Савельевич, — эксперименты на отдельных нейронах — этого ведь никто не  делал тогда, работы-то отличные. Да и сейчас всего-то нужно на современной аппаратуре переделать — и можно публиковать.

Чувство собственного я

— В какой момент появляется чувство собственного я, если один нейрон уже мыслит? — возвращаюсь я к началу разговора.

— Когда нейроны, объединенные в сеть, начинают строить модель самого себя, — чеканно отвечает Ратушняк. — Думаю, у попугая уже есть сознание. Отличие человека от всех прочих в том, что он создал себе знаковую систему и развил ее до того состояния, когда он может организовать внешнюю память.

«То есть клещ все-таки мыслит, — подумал я. — А мы его то режем скальпелем, то по стеклянной трубке гоняем. Хорошо хоть дустом больше не травим».