Можно ли помочь человеку восстановить зрение после 40 лет слепоты? Да! С такими амбициозными задачами работает оптогенетика — наука, за достижения в которой присудили Нобелевскую премию в 2026 году
0
Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2026 году присудили американскому ученому Карлу Дейссероту и двум его коллегам из Германии — Петеру Хегеману и Георгу Нагелю. Имена ученых раньше вряд ли были известны широкой аудитории, но вот изобретение, которое принесло им награду, давно на слуху. Это оптогенетика — технология управления нейронами при помощи света. Это слово ввел в научный оборот Дейссерот в 2006 году в одном из первых обзоров собственных экспериментов и работ коллег. Так что Нобелевский комитет решил не просто наградить изобретателей, но и отметить двадцатилетие создания самой области — мощной, изящной и до сих пор не растерявшей своего футуристического шарма.
Для начала — важный контекст: что сказал бы Фрейд о Нобелевской премии 2026 годаГлавная сложность в разговоре про оптогенетику — даже не объяснить, как все работает: что такое каналродопсины (спокойно: ниже мы все расскажем), что куда вживляется, какие генетические конструкции используются и зачем все это нужно. С этим как раз нет никаких сложностей. Самое трудное — передать ощущение того, насколько странные и даже сюрреалистичные результаты дала эта область. А еще — какой прогресс проделала нейронаука, если посмотреть на нее с большого расстояния. Помочь может только историческая перспектива и сравнение с другими областями. Например, с физикой.
За 100 лет до изобретения оптогенетики, примерно в 1905 году, выходит Специальная теория относительности Эйнштейна, а за пару лет до этого Пьер и Мария Кюри получают Нобелевскую премию за недавно открытую радиоактивность. И то и другое — фундаментальные работы, которые в корне поменяли физику XX века. Очевидно, что это были большие прорывы. Но нельзя сказать, что до них физики как науки вовсе не существовало. Она была, и была вполне успешной, в том числе давно уйдя в быт и экономику. Просто законы, которые физика описывала, работали на масштабе, соизмеримом с человеком. Без погружения в тонкости поведения атомных ядер или, наоборот, объяснения законов движения галактик и происхождения Вселенной.
А как на тот же 1905 год обстояли дела в науке о мозге? Представление об этом дают другие два события: выход книги о снах, бессознательном и теории юмора Зигмунда Фрейда и публикация гистологического атласа Сантьяго Рамона-и-Кахаля (в 1906-м он получил Нобелевскую премию, хотя основные открытия были сделаны начиная с 1888-го). В первой делалась (вполне искренняя и, насколько это было возможно, научная) попытка понять суть психической жизни человека через «Оно», «Эго», «Супер-Эго» и другие неосязаемые понятия, которые Фрейд сформировал в ходе разговоров с пациентами. Во втором — высказывалась революционная по тем временам мысль о том, что нервная система, по-видимому, состоит из отдельных нервных клеток, а не, как считалось раньше, представляет собой бесформенную протоплазму из волокон, что-то вроде грибного мицелия.
Из этой точки — то есть глазами Фрейда или Кахаля — лучше всего смотреть на современные оптогенетические эксперименты. Например на тот, в котором мышам в 2013 году удалось внедрить искусственное воспоминание: буквально по нажатию кнопки их заставили вспомнить то, чего с ними никогда не было. Или, наоборот, эксперимент, в котором мышей заставляли вспомнить что-то приятное, что они когда-то действительно испытывали, но напрочь забыли, впав от стресса в депрессию. Причем так же просто — по нажатию кнопки и в любой удобный момент (как оказалось, такие воспоминания лечат — по крайней мере, мышей).
Интересно порассуждать и о том, что сказали бы Фрейд и Кахаль об эксперименте, в котором нынешнему нобелевскому лауреату Карлу Дейссероту удалось найти среди миллиардов нейронов мозга мыши именно те 20, где хранилась память об очень простом и конкретном визуальном образе — вертикальных полосках на экране монитора. И не просто найти эти конкретные клетки конкретной мыши, но и доказать, что именно они являются носителем этой памяти и их работа заставляет животных вновь испытать этот визуальный образ — опять же, по нажатию кнопки. Что сказал бы автор термина «Оно», увидев это своими глазами, и не захотел ли бы он тут же переквалифицироваться из психиатра в химика?
Этот мысленный эксперимент показывает вовсе не то, что раньше ученые были слишком легковерными, а сейчас как один поумнели. Просто содержание понятийного аппарата в науке всегда диктуется методами, которые есть в распоряжении ученых в их время, — и выйти за пределы этих ограничений никто не может. Именно поэтому изобретение принципиально новых методов исследования — главный драйвер, который двигает науку вперед. И Дейссерот, и Фрейд могли ставить одинаковые содержательные цели — например, понять, как и почему возникают воспоминания. Но чтобы подступиться к этой задаче, у Фрейда не было ничего кроме слов, а у Дейссерота и его коллег появились оптоволокна, вирусы для генетических модификаций и каналродопсины зеленых водорослей. Это стало ключом к решению задачи.
А теперь объясним, в чем заключается открытие нобелевских лауреатов 2026 года.
Мыши-хищники и прозревший пациент: как устроена оптогенетика и какого прогресса она помогла добитьсяСуть изобретения можно объяснить коротко и просто: ученые научились избирательно и очень быстро активировать нейроны в нетронутом мозге прямо у живых, свободно движущихся животных. Петер Хагеман и Геор Нагель в этой истории отвечали, грубо говоря, за сами переключатели, а Карл Дейссерот продемонстрировал, как все может работать в эксперименте на мышах, использовав оптические волокна, подключенные к лазеру и ведущие в мозг.
Встроить в мозг точечный, дистанционно управляемый переключатель нейронов было мечтой нейробиологов как минимум с 1970-х. Еще в 1979 году один из первооткрывателей двуспиральной структуры ДНК, Фрэнсис Крик, переключившийся на исследования мозга, призывал к созданию методов, которые позволят «активировать все нейроны одного типа, оставляя другие относительно нетронутыми». Причем идеальным переключателем активности он уже тогда называл свет, а не электрические или химические импульсы.
Как выяснилось, Крик был совершенно прав. Увы, он не дожил до фактической реализации своей идеи — ученый умер в июле 2004 года, а уже в августе 2005-го в Nature вышла статья, среди авторов которой были двое нынешних лауреатов (Нагель и Дейссерот). В ней был описан эксперимент, где исследователи впервые прямо управляли активацией нейронов через облучение их светом.
Оговорка про «прямо» важна, так как формально использование света для активации нейронов демонстрировалось задолго до этого момента (и даже до упомянутой статьи Крика). Однако она всегда проводилась опосредованно — через использование постороннего светочувствительного вещества, — и была крайне малоэффективной.
Например, нейроны можно было включать по команде за счет особого производного АТФ
, которое под действием ультрафиолета высвобождает трифосфат
, заставляя работать определенные рецепторы. В итоге это (с большой задержкой) приводит к возбуждению нужных нейронов. Эксперименты на дрозофилах с использованием такой сложной системы проводились как раз в 2004-2005 годах, но сейчас практически забыты — по крайней мере, никто таким методом уже не пользуется.
Вообще, в обзоре, подготовленном Нобелевским комитетом к нынешней премии, можно прочитать о множестве подобных систем, которые предшествовали современной оптогенетике и воспроизводили отдельные ее элементы, но так и не получили распространения. Это в очередной раз показывает, что только в ретроспективе может сложиться ощущение, будто история большого открытия всегда идет от одного удачного эксперимента к другому. В реальности ученым приходится перебирать множество самых разных решений, ни одно из которых не является заранее удачным. И конкуренция за очевидную цель (например, управление нейронами с помощью света) часто бывает такой плотной, что предсказать в ней победителя совершенно невозможно.
То, что в итоге стало современной оптогенетикой, оказалось технологией, основанной на очень особых белках — тех самых каналродопсинах. Это трансмембранные белки-каналы, которые способны пропускать сквозь себя различные ионы и активироваться под действием сине-голубого света (хотя сейчас существует уже множество вариаций с другой чувствительностью).
Источник этих белков — одноклеточная зеленая водоросль хламидомонада, известная всем из уроков биологии в шестом классе. Помимо того, что она, как и всякая уважающая себя водоросль, имеет хлоропласты
и использует свет для фотосинтеза, хламидомонада способна этот свет активно искать. Происходит так за счет того, что у нее есть особый орган (он так и называется — светочувствительный глазок), где находятся те самые каналродопсины.
Биофизики из МГУ Олег Синещеков, Феликс Литвин и нынешний лауреат Петер Хегеман активно исследовали работу этого необычного органа скромной водоросли в конце 1990-х — начале 2000-х. В результате выяснилось, что скорость, с которой глазок работает (если угодно, с которой хламидомонада видит мир), совсем не похожа на ту, что можно было бы ожидать.
У родопсинов археобактерий, в отличие от хламидомонады, аналогичные белки были ионными насосами — они тоже меняли электрический потенциал под действием света, но делали это относительно медленно. Хламидомонадные же родопсины оказались принципиально быстрее — за счет того, что не активно качали ионы по разные стороны мембраны, а давали им самим пассивно течь под градиентом концентрации. То есть по сути работали так же, как главные электрочувствительные ионные каналы нейронов. В некотором смысле их устройство было гораздо проще, но именно это позволило перенести их в нейроны и использовать для оптогенетики.
Помимо скорости, вторым важнейшим атрибутом каналродопсинов оказалось то, что это просто очень небольшие и компактные белки. Что позволило Нагелю упаковать их в генетическую конструкцию на основе аденоссоциированного вируса — классического вектора, на основе которого делают многие вакцины.
Вектор, плюс ген каналродопсина, плюс оптическое волокно, подведенное прямо в мозг, плюс специальное вещество, позволяющее блокировать работу этого гена до часа X, — вот джентельменский набор, который составляет основу любого оптогенетического эксперимента. Получив этот набор примерно к 2005 году, нейробиологи наконец смогли начать проверять свои представления не только о физических носителях памяти в мозге — энграммах, — но и о самых разных его аспектах работы.
Можно, конечно, вспомнить, и работы на макаках по созданию ощущения чего-то знакомого. Ощущения самого по себе — вне зависимости от того, с чем именно животное встречалось и встречалось ли в реальности вообще. Или опыт, в котором мышей, прирожденных вегетарианцев, вдруг удалось превратить в хищников. Или эксперимент, в котором глухих крыс научили слышать звук.
Но закончить можно на самом простом и близком к жизни примере. Еще в 2021 году методы оптогенетики позволили частично восстановить зрение человеку после 40 лет слепоты. И сделано это было тем же способом — инъекцией вируса с генетической конструкцией, которая заставила нейроны сетчатки (не сами палочки и колбочки, а те нейроны, к которым они подключены) синтезировать каналродопсины. Единственным усложнением стали специальные очки, которые переводили изображение в серию световых импульсов на сетчатке, что позволило различать контрастные предметы. Это, конечно, далеко не прозрение после одного укола — но все-таки значительное облегчение для полностью слепого человека. Исследования в этом направлении продолжаются, и буквально недавно поступили новые обнадеживающие результаты аналогичной терапии этого вида слепоты, пигментного ретинита, на других пациентах.
К сожалению, до нынешней премии не дожил не только Фрэнсис Крик, предсказавший появление оптогенетики, но и другой нобелевский лауреат — Сусуму Тонегава. Он первым осознал важность нового метода для исследования памяти, и в его лаборатории были проведены ключевые эксперименты по исследованию энграмм и, например, «вживлению» ложных воспоминаний мышам. В июле этого года Тонегава скончался в возрасте 86 лет.
А вот Эдварду Бойдену — сотруднику Карла Дейссерот и первому автору главной статьи, где впервые удалось применить оптогенетический подход, — придется ждать нового шанса. Эксперименты, отмеченные сейчас Нобелевским комитетом, были выполнены его руками, и по всем академическим понятиям он должен был быть в числе лауреатов. Однако это никак не согласуется с правилами Нобелевского комитета, согласно которым лауреатов не может быть больше трех человек. Впрочем, Бойдену сейчас всего 47 лет, и он еще имеет шансы войти в какую-нибудь другую почетную тройку.
Для начала — важный контекст: что сказал бы Фрейд о Нобелевской премии 2026 годаГлавная сложность в разговоре про оптогенетику — даже не объяснить, как все работает: что такое каналродопсины (спокойно: ниже мы все расскажем), что куда вживляется, какие генетические конструкции используются и зачем все это нужно. С этим как раз нет никаких сложностей. Самое трудное — передать ощущение того, насколько странные и даже сюрреалистичные результаты дала эта область. А еще — какой прогресс проделала нейронаука, если посмотреть на нее с большого расстояния. Помочь может только историческая перспектива и сравнение с другими областями. Например, с физикой.
За 100 лет до изобретения оптогенетики, примерно в 1905 году, выходит Специальная теория относительности Эйнштейна, а за пару лет до этого Пьер и Мария Кюри получают Нобелевскую премию за недавно открытую радиоактивность. И то и другое — фундаментальные работы, которые в корне поменяли физику XX века. Очевидно, что это были большие прорывы. Но нельзя сказать, что до них физики как науки вовсе не существовало. Она была, и была вполне успешной, в том числе давно уйдя в быт и экономику. Просто законы, которые физика описывала, работали на масштабе, соизмеримом с человеком. Без погружения в тонкости поведения атомных ядер или, наоборот, объяснения законов движения галактик и происхождения Вселенной.
А как на тот же 1905 год обстояли дела в науке о мозге? Представление об этом дают другие два события: выход книги о снах, бессознательном и теории юмора Зигмунда Фрейда и публикация гистологического атласа Сантьяго Рамона-и-Кахаля (в 1906-м он получил Нобелевскую премию, хотя основные открытия были сделаны начиная с 1888-го). В первой делалась (вполне искренняя и, насколько это было возможно, научная) попытка понять суть психической жизни человека через «Оно», «Эго», «Супер-Эго» и другие неосязаемые понятия, которые Фрейд сформировал в ходе разговоров с пациентами. Во втором — высказывалась революционная по тем временам мысль о том, что нервная система, по-видимому, состоит из отдельных нервных клеток, а не, как считалось раньше, представляет собой бесформенную протоплазму из волокон, что-то вроде грибного мицелия.
Из этой точки — то есть глазами Фрейда или Кахаля — лучше всего смотреть на современные оптогенетические эксперименты. Например на тот, в котором мышам в 2013 году удалось внедрить искусственное воспоминание: буквально по нажатию кнопки их заставили вспомнить то, чего с ними никогда не было. Или, наоборот, эксперимент, в котором мышей заставляли вспомнить что-то приятное, что они когда-то действительно испытывали, но напрочь забыли, впав от стресса в депрессию. Причем так же просто — по нажатию кнопки и в любой удобный момент (как оказалось, такие воспоминания лечат — по крайней мере, мышей).
Интересно порассуждать и о том, что сказали бы Фрейд и Кахаль об эксперименте, в котором нынешнему нобелевскому лауреату Карлу Дейссероту удалось найти среди миллиардов нейронов мозга мыши именно те 20, где хранилась память об очень простом и конкретном визуальном образе — вертикальных полосках на экране монитора. И не просто найти эти конкретные клетки конкретной мыши, но и доказать, что именно они являются носителем этой памяти и их работа заставляет животных вновь испытать этот визуальный образ — опять же, по нажатию кнопки. Что сказал бы автор термина «Оно», увидев это своими глазами, и не захотел ли бы он тут же переквалифицироваться из психиатра в химика?
Этот мысленный эксперимент показывает вовсе не то, что раньше ученые были слишком легковерными, а сейчас как один поумнели. Просто содержание понятийного аппарата в науке всегда диктуется методами, которые есть в распоряжении ученых в их время, — и выйти за пределы этих ограничений никто не может. Именно поэтому изобретение принципиально новых методов исследования — главный драйвер, который двигает науку вперед. И Дейссерот, и Фрейд могли ставить одинаковые содержательные цели — например, понять, как и почему возникают воспоминания. Но чтобы подступиться к этой задаче, у Фрейда не было ничего кроме слов, а у Дейссерота и его коллег появились оптоволокна, вирусы для генетических модификаций и каналродопсины зеленых водорослей. Это стало ключом к решению задачи.
А теперь объясним, в чем заключается открытие нобелевских лауреатов 2026 года.
Мыши-хищники и прозревший пациент: как устроена оптогенетика и какого прогресса она помогла добитьсяСуть изобретения можно объяснить коротко и просто: ученые научились избирательно и очень быстро активировать нейроны в нетронутом мозге прямо у живых, свободно движущихся животных. Петер Хагеман и Геор Нагель в этой истории отвечали, грубо говоря, за сами переключатели, а Карл Дейссерот продемонстрировал, как все может работать в эксперименте на мышах, использовав оптические волокна, подключенные к лазеру и ведущие в мозг.
Встроить в мозг точечный, дистанционно управляемый переключатель нейронов было мечтой нейробиологов как минимум с 1970-х. Еще в 1979 году один из первооткрывателей двуспиральной структуры ДНК, Фрэнсис Крик, переключившийся на исследования мозга, призывал к созданию методов, которые позволят «активировать все нейроны одного типа, оставляя другие относительно нетронутыми». Причем идеальным переключателем активности он уже тогда называл свет, а не электрические или химические импульсы.
Как выяснилось, Крик был совершенно прав. Увы, он не дожил до фактической реализации своей идеи — ученый умер в июле 2004 года, а уже в августе 2005-го в Nature вышла статья, среди авторов которой были двое нынешних лауреатов (Нагель и Дейссерот). В ней был описан эксперимент, где исследователи впервые прямо управляли активацией нейронов через облучение их светом.
Оговорка про «прямо» важна, так как формально использование света для активации нейронов демонстрировалось задолго до этого момента (и даже до упомянутой статьи Крика). Однако она всегда проводилась опосредованно — через использование постороннего светочувствительного вещества, — и была крайне малоэффективной.
Например, нейроны можно было включать по команде за счет особого производного АТФ
, которое под действием ультрафиолета высвобождает трифосфат
, заставляя работать определенные рецепторы. В итоге это (с большой задержкой) приводит к возбуждению нужных нейронов. Эксперименты на дрозофилах с использованием такой сложной системы проводились как раз в 2004-2005 годах, но сейчас практически забыты — по крайней мере, никто таким методом уже не пользуется.
Вообще, в обзоре, подготовленном Нобелевским комитетом к нынешней премии, можно прочитать о множестве подобных систем, которые предшествовали современной оптогенетике и воспроизводили отдельные ее элементы, но так и не получили распространения. Это в очередной раз показывает, что только в ретроспективе может сложиться ощущение, будто история большого открытия всегда идет от одного удачного эксперимента к другому. В реальности ученым приходится перебирать множество самых разных решений, ни одно из которых не является заранее удачным. И конкуренция за очевидную цель (например, управление нейронами с помощью света) часто бывает такой плотной, что предсказать в ней победителя совершенно невозможно.
То, что в итоге стало современной оптогенетикой, оказалось технологией, основанной на очень особых белках — тех самых каналродопсинах. Это трансмембранные белки-каналы, которые способны пропускать сквозь себя различные ионы и активироваться под действием сине-голубого света (хотя сейчас существует уже множество вариаций с другой чувствительностью).
Источник этих белков — одноклеточная зеленая водоросль хламидомонада, известная всем из уроков биологии в шестом классе. Помимо того, что она, как и всякая уважающая себя водоросль, имеет хлоропласты
и использует свет для фотосинтеза, хламидомонада способна этот свет активно искать. Происходит так за счет того, что у нее есть особый орган (он так и называется — светочувствительный глазок), где находятся те самые каналродопсины.
Биофизики из МГУ Олег Синещеков, Феликс Литвин и нынешний лауреат Петер Хегеман активно исследовали работу этого необычного органа скромной водоросли в конце 1990-х — начале 2000-х. В результате выяснилось, что скорость, с которой глазок работает (если угодно, с которой хламидомонада видит мир), совсем не похожа на ту, что можно было бы ожидать.
У родопсинов археобактерий, в отличие от хламидомонады, аналогичные белки были ионными насосами — они тоже меняли электрический потенциал под действием света, но делали это относительно медленно. Хламидомонадные же родопсины оказались принципиально быстрее — за счет того, что не активно качали ионы по разные стороны мембраны, а давали им самим пассивно течь под градиентом концентрации. То есть по сути работали так же, как главные электрочувствительные ионные каналы нейронов. В некотором смысле их устройство было гораздо проще, но именно это позволило перенести их в нейроны и использовать для оптогенетики.
Помимо скорости, вторым важнейшим атрибутом каналродопсинов оказалось то, что это просто очень небольшие и компактные белки. Что позволило Нагелю упаковать их в генетическую конструкцию на основе аденоссоциированного вируса — классического вектора, на основе которого делают многие вакцины.
Вектор, плюс ген каналродопсина, плюс оптическое волокно, подведенное прямо в мозг, плюс специальное вещество, позволяющее блокировать работу этого гена до часа X, — вот джентельменский набор, который составляет основу любого оптогенетического эксперимента. Получив этот набор примерно к 2005 году, нейробиологи наконец смогли начать проверять свои представления не только о физических носителях памяти в мозге — энграммах, — но и о самых разных его аспектах работы.
Можно, конечно, вспомнить, и работы на макаках по созданию ощущения чего-то знакомого. Ощущения самого по себе — вне зависимости от того, с чем именно животное встречалось и встречалось ли в реальности вообще. Или опыт, в котором мышей, прирожденных вегетарианцев, вдруг удалось превратить в хищников. Или эксперимент, в котором глухих крыс научили слышать звук.
Но закончить можно на самом простом и близком к жизни примере. Еще в 2021 году методы оптогенетики позволили частично восстановить зрение человеку после 40 лет слепоты. И сделано это было тем же способом — инъекцией вируса с генетической конструкцией, которая заставила нейроны сетчатки (не сами палочки и колбочки, а те нейроны, к которым они подключены) синтезировать каналродопсины. Единственным усложнением стали специальные очки, которые переводили изображение в серию световых импульсов на сетчатке, что позволило различать контрастные предметы. Это, конечно, далеко не прозрение после одного укола — но все-таки значительное облегчение для полностью слепого человека. Исследования в этом направлении продолжаются, и буквально недавно поступили новые обнадеживающие результаты аналогичной терапии этого вида слепоты, пигментного ретинита, на других пациентах.
К сожалению, до нынешней премии не дожил не только Фрэнсис Крик, предсказавший появление оптогенетики, но и другой нобелевский лауреат — Сусуму Тонегава. Он первым осознал важность нового метода для исследования памяти, и в его лаборатории были проведены ключевые эксперименты по исследованию энграмм и, например, «вживлению» ложных воспоминаний мышам. В июле этого года Тонегава скончался в возрасте 86 лет.
А вот Эдварду Бойдену — сотруднику Карла Дейссерот и первому автору главной статьи, где впервые удалось применить оптогенетический подход, — придется ждать нового шанса. Эксперименты, отмеченные сейчас Нобелевским комитетом, были выполнены его руками, и по всем академическим понятиям он должен был быть в числе лауреатов. Однако это никак не согласуется с правилами Нобелевского комитета, согласно которым лауреатов не может быть больше трех человек. Впрочем, Бойдену сейчас всего 47 лет, и он еще имеет шансы войти в какую-нибудь другую почетную тройку.
