- О «разумность» мозга
- О девайс для принятия решений и внутренний GPS
- Об клетки Беца и первую электроэнцефалограмму
- О подопытных мышей
- О магистральные проекты нейронауки
- О нейророботику и связи в 10 14-15
- О школьные олимпиады
- Об обучении учителей
- О работе в наших и зарубежных лабораториях
У него множество побед - сначала своих на всеукраинских и даже международной олимпиадах по биологии, а затем и чужих, ведь он один из тех, кто занимается подготовкой украинских школьников в международных конкурсов. Андрей Чернинский - постоянный член жюри, автор задач Всеукраинской олимпиады по биологии, консультант по ЕГЭ, преподаватель. Но находит время также на любимое и основное занятие - науку. Сейчас старший научный сотрудник отдела физико-химической биологии клеточных мембран Института физиологии им. А. Богомольца НАН Украины, имеет опыт работы и в зарубежных лабораториях, например Университета Цюриха (Швейцария). О двух системах принятия решений в мозге, подопытных мышей, роботизированных «аватаров» и фантастические проекты по нейронауки, уже воплощают ученые мира, он рассказал нам в рамках спецпроекта «Научный подход».
О «разумность» мозга
Существует известная шутка, что количество интеллекта на Земле одинакова, то население постоянно растет. Бесспорно, эволюция именно головного мозга сделала человека разумного такой, как она есть. Наш мозг является большим, чем у наших эволюционных предков, а также отмены в соотношении между различными его частями, то есть не является результатом простого линейного увеличения мозга обезьян. Интересно, что размеры головного мозга в эволюции росли не всегда. Так, около 25 тыс. Лет назад наметилась тенденция к их уменьшению и она продолжалась до 10 тыс. Лет назад. После этого размеры и строение нашего мозга существенно не менялись. Детально изучить структуру этого органа древних людей нет возможности, ведь, в отличие от, скажем, костей, он плохо хранится. Однако, скорее всего, мы имеем сейчас в целом такой же мозг, как и 2000 лет назад.
«Разумность» нашего мозга не является абсолютно врожденной характеристикой, она должна тренироваться, к тому же, постоянно. Чем сложнее задачи мы решаем, то сложнее становится структура мозга, при том же количестве элементов становится больше связей между ними. Бесспорно, в современном мире количество информации, с которой ежедневно сталкивается городской человек, огромна. Поэтому информационная структура современного мозга, сформирована обучением в условиях огромного количества информации, сейчас сложнее, по сравнению с человеком даже не 2000, а 200 лет назад. Однако эта разница является результатом динамических процессов. Если бы ребенка с позапрошлого века перенесли с помощью машины времени в современность, ее способность к обучению была бы такой же.
О девайс для принятия решений и внутренний GPS
Наш мозг - не точная вычислительная машина, а вероятностный девайс, при разных обстоятельствах может давать разные ответы. Он формировался в определенных эволюционных условиях, а потому больше «заточен» под те задачи, которые возникали у наших эволюционных предшественников и были критически важными для выживания. Современный городской мир сильно отличается от того, в каком сформировалось человечество, а поэтому некоторые мозговые механизмы срабатывают ложно. Кроме того, в нашем мозгу, грубо говоря, существуют две системы принятия решений. Первая - более эволюционно древняя, она связана с формированием эмоций, за которые отвечают подкорковые структуры, или эволюционно старые. Вторая - это недавнее приобретение, связанное с рациональным соображениям, субстратом которого является новая кора лобной доли.
Часто бывает так, что решение принимается на подсознательном уровне эмоциональными структурами, а потом уже рациональные, сознательные механизмы постфактум «объясняют» нам, почему это было и для чего. Поэтому некоторые поступки могут казаться нелогичными (даже несмотря на рациональное объяснение). Вообще по этому поводу стоит почитать книги Дэниэла Канемана, получивший Нобелевскую премию за работы по изучению механизмов принятия человеком решений в условиях неопределенности.
Между тем Нобелевскую премию в области физиологии и медицины 2014 дали за открытие так называемого внутреннего GPS нашего мозга. Американец Джон ОьКиф и супружеская пара из Норвегии Мэй-Бритт и Эдвард Мозер раскрыли роль гиппокампа или «морского конька» - сравнительно небольшой структуры, расположенной в глубине височной доли мозга - в процессах пространственной памяти. Да, эта структура является крайне важной для формирования способности ориентироваться в пространстве. Это обеспечивается клетками двух типов. Первые - клетки-места (place cells) - активируются тогда, когда мы находимся в знакомом месте. Другие - клетки-решетки (grid cells) - формируют будто кажущуюся координатную сетку, на которую наносятся те или иные события и впечатления, связанные с пребыванием в этом месте. Было когда-то во время визита малознакомого места неожиданное ощущение-прозрение "а я здесь уже был, здесь он за углом будет хорошая кофейня»? Это и есть гипокампальна память.
Об клетки Беца и первую электроэнцефалограмму
История нейронаук в Украине достаточно давняя, нам есть чем гордиться. Например, профессор Киевского университета св. Владимира (ныне имени Тараса Шевченко) Владимир Бец впервые открыл большие пирамидные нейроны, которые во всех учебниках мира по анатомии и физиологии нервной системы называются клетками Беца. Эти нейроны формируют пятый слой коры больших полушарий, а наибольший размер имеют в моторной коре - той области, что управляет нашими сознательными движениями. Он подробно описал анатомию головного мозга, подготовил и издал за свой счет (в собственной типографии) несколько экземпляров. Кроме биологии / медицины Бец интересовался историей и начал в соавторстве с историком Владимиром Антоновичем выпускать альманах, посвященный украинским гетманам. Именно из-за выраженную проукраинскую позицию Бец были проблемы и в конце был вынужден покинуть пост профессора в университете.
Другое знаковое, на мой взгляд, имя - это Владимир Правдич-Неминский, упоминание о котором есть в большинстве учебников по электрофизиологии. Он также работал в университете св. Владимира. К его заслугам относится первая запись электрической активности головного мозга с поверхности скальпа лабораторного животного. Сейчас такая запись мы называем электроэнцефалограммой, а соответствующий метод - электроэнцефалография - применяется практически в каждой больнице для диагностики многих неврологических болезней, в частности, эпилепсии.
А сейчас украинская нейронаука известна в мире в первую очередь работами выдающегося ученого Платона Костюка и его учеников по изучению свойств клеточных мембран, молекул ионных каналов, рецепторов, функционирование синапсов и тому подобное. Нынешний директор института физиологии им. А. Богомольца - ученик Костюка, академик Олег Кришталь - соавтор открытия двух типов рецепторов, которые отвечают за формирование боли (из трех известных сейчас). В институте есть мощные научные группы, имеющие серьезные достижения, и приятно, работает достаточно много талантливой молодежи.
О подопытных мышей
Мыши издавна является излюбленным объектом в биологических науках. На это повлияла их легкая доступность, неприхотливость в содержании и высокая скорость размножения. В Украине (я не имею статистики, но по наблюдениям) больше популярны крысы. Мыши, по сравнению с ними, имеют ряд преимуществ, связанных с легкостью вызывания у них генетический мутаций. Поэтому в нейрогенетическом исследованиях используются именно они.
Как и любая модель они имеют свои преимущества и недостатки. К преимуществам, в первую очередь, относится то, что мы можем в экспериментах на лабораторных животных применять методы, недоступные для исследования человека. Да, мы можем вызвать генетические мутации, проводить эксперименты с разрушением определенных структур, изымать клетки для манипуляций in vitro, вживлять электроды, влиять различными химическими веществами и тому подобное. А основной недостаток заключается в том, что мышь - не человек. А потому просто переносить на человека результаты, полученные на животных, невозможно.
Кстати, обращение с лабораторными животными жестко регулируется зарубежным законодательством, и Украина стремится идти с этим в ногу. Не в последнюю очередь потому, что результаты, полученные с нарушением этических норм, будет невозможно опубликовать в одном нормальном журнале. Общей тенденцией является уменьшение количества нужных животных. К примеру, во время работы в Цюрихе я работал с 40 животными (три разные группы, которые отвечали различным мутациям). Хорошо спланированное научное исследование не требует сотен или тысяч животных. Интересно, что швейцарские нормы регулируют самые аспекты, связанные с содержанием животных. Например, при подготовке клетки для мыши я обязательно должен положить внутрь кусочек бумаги - животное будет его рвать, обустраивать себе гнездо, формировать уют.
Поскольку мыши и крысы являются стайные животные, их нельзя долго держать в клетках одиночку. Как только необходимость в изолированном содержании проходит, они должны вернуться к мышиного общества. По режиму содержания животных следит специалист, а все изменения вносятся в специализированную программу.
О магистральные проекты нейронауки
С одной стороны, ученые интересуются, как организована работа мозга в норме, как он формирует наше поведение, психику и личность. С другой стороны, нас интересует, что и как в нем «ломается» и как его починить, чтобы продлить здоровую и счастливую жизнь. Книги типа «методы нейронаук» - это толстые тома.
И перечень направлений исследований нейронауки и результатов даже за последние несколько лет потребует томов. Однако я хочу обратить внимание на некоторые магистральные проекты. Один из них называется Human Brain Project и финансируется Европейским Союзом. Он запланирован на срок до 2023 года, а совокупное финансирование на 10 лет составляет 1.6 млрд евро. Для сравнения с отечественными реалиями: бюджет научных программ, обеспечиваются Министерством науки и образования Украины, включая обязательства в соответствии с программой «Горизонт-2020» составляет менее 40 млн евро, а весь бюджет Национальной академии наук менее 100 млн евро.
В проекте задействованы сотни ученых из 135 институтов 26 стран. Тематика исследований очень широка. Они объединяются в 12 подпроектов. Два из них посвящено детальному изучению организации головного мозга мышей и людей. На основе полученных сведений планируется построить многоуровневую модель мозга мыши, а в перспективе - и мозга человека. Многоуровневость здесь значит: от отдельных генов и молекул в клетки и групп клеток, а также крупных функциональных систем и целого мозга. Разработанную модель можно использовать для постановки виртуальных экспериментов, например, по изучению взаимодействия различных участков мозга при болезнях, прогнозирования действия определенных химических веществ (потенциальных лекарств), и тому подобное. Задача звучит фантастически, но понемногу начинает реализовываться.
Другой субпроект посвященный накоплению клинических данных пациентов с различными диагнозами и формированию доступной для широкого круга ученых базы данных. Это даст возможность проводить поиск важной информации для подтверждения или опровержения новых гипотез по изучению болезней без необходимости обследования пациентов. К примеру, в экспериментах на животных прослеживается роль отдельного гена в определении характера перетекание обозначенной болезни или реакции пациента на лекарства. Исследователь сможет получить с указанной базы сведения о пациентах с указанным диагнозом и способом лечения и определить, есть ли подобная связь с аналогичный геном у человека за считанные часы или дни. При стандартном проведения исследования нужно обследовать несколько десятков или сотен пациентов, требует месяцы или годы.
О нейророботику и связи в 10 14-15
Сейчас анализ и даже хранения имеющегося огромного массива данных требует разработки специализированных алгоритмов и программ, к тому же, они могут применяться в других, далеких от нейронаук, отраслях. Интересным ответвлением от этой задачи является нейророботика - создание интерфейсов между разработанными моделями мозга и алгоритмами управления работами. Они помогут управлять искусственными аксессуарами, используя алгоритмы работы мозга. Сейчас подобные программно-аппаратные комплексы используются скорее как игрушки - «силой мысли» управлять игрушечной машинкой или включать / выключать лампочки, но в перспективе это могут быть приборы, которые заменят людям утраченные конечности, органы чувств, а в теории - и к созданию роботизированных «аватаров». Подобный проект The Brain Initiative реализуется в США и рассчитан на 10 лет.
Другой интересный и перспективный проект касается изучения структуры связей между нервными клетками. Наш мозг содержит около 86 млрд нейронов, каждый из которых типично контактирует с сотнями и тысячами других. По теоретическим оценкам, суммарное количество связей между нервными клетками составляет астрономическое число - 1014-15. То, как нейроны соединены между собой, определяет, как мы воспринимаем сенсорные раздражители, как трансформируем их в действии, поведение и явления психического характера (память, внимание, эмоции и т.д.). проект Human Connectome Project изучает эту чрезвычайную сложность. В него вовлечены исследователи 11 институтов, осуществляющих томографическое сканирование высокого разрешения головного мозга человека. Особенностью проекта является то, что данные собираются повторно для того, чтобы можно было проследить, какие связи являются стабильными, мало переменными во времени, а какие являются лабильными, временными. Сейчас обследовано более 1000 человек.
Между тем один из европейских проектов, в работе которого я принимал участие, посвященный исследованию мест контакта двух нейронов - синапса. Синапсы являются достаточно сложными структурами, для их правильной работы требуется привлечение около 2000 различных белков, а это около 10% от общего числа белков, существующих в нашем организме. Активация рецептора только одного типа вызывает изменения в структуре более 100 различных белков. Известно, что мутации в около 200 генах (~ 1% от общего их числа) ассоциированные с более чем 130 психическими и неврологическими расстройствами. Итак, отобрали ключевые гены, связанные с такими заболеваниями, как шизофрения, аутизм, депрессия, синдром дефицита внимания и гиперактивности, эпилепсия и др. Моя задача разобраться, что происходит в головном мозге мышей, которые являются мутантами по тому или иному гена, который работает в нервных клетках. Сейчас анализируем большой объем наработанных данных.
О школьные олимпиады
Я был участником и победителем всеукраинской и международной олимпиады в 11-м классе. В университете меня привлекли к проведению олимпиады уже как жюри, и это затянуло на долгие годы. Олимпиада по биологии меняется, поскольку сама биология крайне динамичной наукой. Сейчас количество доступной литературы и объем знаний, который выносится на уровень олимпиады, является разы больше, чем когда я был участником двадцать лет назад. Иногда удивляешься, как современные школьники могут так много знать.
Как член жюри я в олимпиаде с 2001 года. За этот срок всего, пожалуй, изменился практический тур. Его организация всегда большой проблемой, ведь требует оборудования и реактивов, а денег на это выделяется минимум. Однако в последние годы наша команда делает высокоуровневые, интересные и разнообразные работы, в которых учащиеся могут продемонстрировать свои знания и умение работать. К сожалению, для многих является проблемой провести базовые химические реакции или правильно выполнить элементарные манипуляции с микроскопом. Причиной этого, разумеется, является плохое материальное оборудования учебных классов в школе.
Еще одна важная отмена касается порядка проведения областных (городских в Киеве и Севастополе) этапов олимпиад. С 2010 года они проводятся по единым комплектом задач, готовится той же командой, работающей над всеукраинским уровнем. Это позволяет унифицировать процесс оценки, выдержав стандарты подготовки к всеукраинского этапа и в перспективе до международного. Кстати, ежегодно почти все члены команды Украины возвращаются с призовыми местами с международной олимпиады.
Кроме организационных изменений, биологическая олимпиада сформировала несколько ответвлений, которые стали успешными самостоятельными проектами. Так, основанная в 1995 году экологическая олимпиада, проводимая как дополнение к основной, с 2011 года проводится независимо.
Начат по моей инициативе в 2012 году Нейроконкурс также стал самостоятельным с этого года. Это соревнования среди школьников с нейронаук. Отборочный тур проводится через интернет, а лучшие ученики приглашаются в Киев, где на базе Института физиологии им. Богомольца проводится финал. Победитель получает право представить Украину на международном конкурсе International Brain Bee. Несмотря на это, соревнование проводится на английском языке. В этом году при поддержке Национального центра «Малая академия наук Украины» наш национальный чемпион - Дарья Барбаш из Винницы - смогла принять участие в конкурсе, который проводился в Копенгагене во время научного форума Федерации европейских обществ нейронаук, где показала приличный результат. Поэтому, приглашаю старшеклассников участвовать .
Об обучении учителей
Все люди способны учиться, если хотят. Учителя, Которые готовят своих учеников к Всеукраинских олимпиад и турниров, учат не менее их, иначе не получается. В профессиональном росте могут играть роль и обязательные государственные курсы повышения квалификации (непрерывного педагогического образования), но успешность этого сильно зависит от энтузиазма конкретных методистов. Некоторые пытаются организовывать встречи учителей области с учеными и преподавателями из университетов и институтов, проводят отдаленные (через интернет) лекции и тому подобное. Малая академия наук набирает талантливых учителей для участия в мировых научных школах. С биологии, например, в этом году запланирована поездка в лабораторию X-Lab в Германии. Физиков возят в CERN, это где Большой адронный коллайдер, а также в Национальный Аргоннской лаборатории в США.
О работе в наших и зарубежных лабораториях
Наука - это дорогое удовольствие, и делать ее на качественном уровне в Украине стоит не дешевле, чем в Европе или США, ведь стоимость оборудования и реактивов для всех одинакова (и это без таможенных платежей и процедур). Конечно, недостаток финансирования является важной причиной низкой эффективности отечественной науки, но не единственной.
Основной задачей мировых проектов не так конкретные решения типа «найти лекарство от рака», как накопление критической массы знания и его структурирование для того, чтобы интенсифицировать будущие научные прорывы. И это существенно отличается от того, что украинские ученые часто слышат в последние годы от руководства страны и некоторых граждан: для чего нам наука, которая не дает заметный и ощутимый результат прямо сейчас? Но нельзя запланировать и сделать по расписанию открытие - оно, как правило, является результатом длительной кропотливой, порой безуспешной работы. Конечно, я не хочу сказать, что нужно финансировать любые отечественные исследования.
Нужен жесткий и высококвалифицированный конкурс проектов с привлечением зарубежных экспертов из числа признанных в мире ученых. Начало движения в правильном направлении уже есть - благодаря новому закону «О научной и научно-технической деятельности».
В нашей науке значительной проблемой является бюрократические и юридические преграды отечественного производства. В зарубежной лаборатории (говорю конкретно о швейцарский университет Цюриха, не хочу обобщать) при необходимости я могу по согласованию с профессором приобрести нужную мне на завтра вещь за свои средства с возмещением в будущем. Или даже взять специальную карточку и приобрести все необходимое - от канцтоваров до радиодеталей - в магазине, расположенном в университете, а деньги спишутся из средств гранта.
У нас, во-первых, денег нет. Во-вторых, даже если есть, на их расходы установлены лимиты. В-третьих, даже если и можно купить, то процедура требует десятки бумажек, согласований, виз, проведение через казначейство, несколько недель времени ...
Для того, чтобы поехать в заграничную командировку за государственные деньги требуется специальное разрешение, к тому же, до целого вице-премьера. Недавно был случай, когда одному украинскому ученому отказали в поездке на конференцию, хотя средства на это были заложены в грант, который предоставлялся одной из европейских учреждений. Европейцы были шокированы, ведь фактически украинское государство присвоила финансирование, выделенное на конкретную цель. Поездка таки состоялась, но принимающая сторона предоставила средства повторно.
И тем по сравнению с «доинтернетные» временами сейчас имеются широкие возможности взаимодействовать с зарубежными коллегами. Как минимум - читать ведущие научные журналы, чтобы быть в курсе новейших результатов и тенденций и не изобретать то, что было сделано десятилетиями назад. Правда, доступ к платным журналов у нас ограничен, однако это неплохо решается научно «пиратским» ресурсом Sci-Hub. Сейчас не проблема поехать на международную конференцию, чтобы представить свои результаты (конечно, если они надлежащей научной качества), пообщаться с коллегами, послушать лекции ведущих ученых. Сотрудничество с зарубежными лабораториями, поездки на стажировку, приглашение в Украину лекторов - это не единичные случаи.
Однако, наша интеграция является асимметричной - поток ученых, едет из Украины, превышает те капельки, которые возвращаются обратно. Причины этого понятны - за границей больше возможностей для профессионального развития и более комфортные условия работы и жизни.
Было когда-то во время визита малознакомого места неожиданное ощущение-прозрение "а я здесь уже был, здесь он за углом будет хорошая кофейня»?
