Lidský mozek nás odedávna fascinuje.
Zkoumáme jeho anatomii, popisujeme ho,
kreslíme
a mapujeme.
Způsob mapování fyzického světa
výrazně ovlivnila moderní technika.
Vzpomeňte na Google Maps
či GPS.
Podobným přerodem teď prochází
i mapování mozku.
A tak se na mozek podívejme.
Tohle je surová tkáň mozku.
Když ji lidé vidí poprvé, jsou překvapení, protože takto mozek neznají.
Obvykle se setkáte s šedým, naloženým mozkem.
Surová tkáň má tzv. vaskulaturu. U lidí je opravdu impozantní.
Jsou to vlastně krevní cévy. Mozek spotřebuje 20 % kyslíku,
který vyprodukují vaše plíce.
20 % krve poháněné srdcem
využívá jediný orgán,
který je jen o málo větší
než dvě sevřené pěsti.
Koncem 20. století vědci zjistili,
že mohou sledovat tok krve,
a tím neinvazivně mapovat
oblasti mozkové aktivity.
Například vidí aktivitu v zadní části mozku,
kde se nachází mozeček.
Díky němu stojíme na nohou. Ovládá rovnováhu
a koordinaci pohybů.
Tady na straně je spánkový lalok.
Je to oblast primárního zpracování zvuků.
Díky němu mě slyšíte,
a pak to vysíláte do vyšších jazykových center.
V přední části mozku je oblast
složitějšího myšlení a rozhodování.
Rozvíjí se až do pozdní dospělosti.
Odehrávají se tam všechna vaše rozhodnutí.
Právě tam si teď říkáte,
že si ten stejk nejspíš dnes k večeři nedáte.
Ponořme se teď hlouběji.
Průřez nitrem mozku vypadá,
jako by v něm nebylo příliš
rozmanitých struktur.
Opak je však pravdou.
Jsou tam buňky a spoje a vše je propojené.
Asi před sto lety proto vědci vymysleli,
jak buňky obarvit.
Když obarvíte buněčná těla,
vzniknou takovéto světle modré oblasti,
kde rázem vynikne řada různých struktur.
Té části na okrajích mozku se říká neokortex.
Je to vlastně nepřetržitě činná výpočetní jednotka.
Můžete však vidět i to, co je pod ní.
Bezbarvé oblasti mají méně buněk,
zato tam probíhají spoje.
V mozku máme asi 86 miliard neuronů.
Jejich rozmístění je, jak vidíte, velmi nerovnoměrné.
Jejich distribuce úzce souvisí s tím,
jakou vykonávají funkci.
A protože - jak jsem zmiňoval - teď umíme funkce mozku mapovat,
můžeme je spojovat s jednotlivými buňkami.
Pojďme ještě hlouběji.
Prohlédněme si neurony.
Kromě těch 86 miliard neuronů
můžete vidět i menší, podpůrné buňky,
zvané astrocyty.
Nervy jako celek mají na starost přijímání signálů.
Zpracovávají je a ukládají.
Prostřednictvím synapsí je každý neuron vašeho mozku
propojen až s 10 tisíci dalšími.
Každý neuron je přitom
vysoce unikátní.
Jedinečnost jednotlivých neuronů,
ale i celé mozkové neurální sítě
vyplývá z fundamentálních vlastností jejich vnitřní biochemie.
Tohle jsou bílkoviny.
Kontrolují například, jak proudí ionty v kanálcích
nebo jak se buňky nervové soustavy spojují.
Vlastně kontrolují
veškerou činnost nervové soustavy.
Teď zaostříme ještě o úroveň dál.
Všechny bílkoviny
jsou zakódované našimi geny.
Každý máme 23 párů chromozomů.
Jeden od mámy, jeden od táty.
Chromozomy zahrnují
asi 25 tisíc genů.
Jsou zakódované v DNA.
Funkce libovolné buňky, vyplývající z její biochemie,
je dána tím, které z těch 25 tisíc genů jsou zapnuté
a v jaké míře jsou zapnuté.
Náš projekt
se snaží právě taková data zjišťovat.
Zjišťovat, které geny z těch 25 tisíc jsou zapnuté.
Pochopitelně, že k tomu
potřebujeme materiál v podobě mozků.
A tak vysíláme naše pomocníky. (Smích.)
Hledáme normální lidské mozky.
Obvykle takové hledání
začíná návštěvou patologa,
k němuž se vozí mrtvá těla.
Hledáme "normální" mozek.
Vybíráme ho podle řady kritérií.
Musí to být mozek normálního člověka ve věku 20-60 let,
který umřel přirozenou smrtí a jeho mozek nebyl poškozen,
netrpěl žádnou psychickou chorobou a nebral drogy -
provádíme toxikologické vyšetření.
Na výběru mozku si tedy dáváme velmi záležet.
Navíc vybíráme mozky, u nichž můžeme odebrat tkáň
(a dostat k tomu povolení) do 24 hodin od smrti.
Abychom získali údaje o genech,
potřebujeme totiž získat RNA,
a ta je velmi nestabilní,
a tak si musíme pospíšit.
Ještě jedna poznámka na okraj:
kvůli kritériím výběru
a nutnosti mít povolení
máme o dost víc mužských než ženských mozků.
Muži výrazně častěji umírají na vrcholu sil
a jejich manželky nám dávají souhlas k odběru mnohem ochotněji,
než když je to v opačném gardu.
(Smích.)
Po výběru mozku nejdříve uděláme takovýto snímek
s pomocí magnetické rezonance: MRI.
Vznikne tak výchozí šablona, kam doplňujeme další data.
Snímky MRI jsou pro nás něco jako satelitní mapy.
Potom provedeme takzvanou DTI traktografii.
Ta v mozku zmapuje nervové dráhy.
Je to něco jako mapa vnitrostátních dálnic.
Pak mozek vyjmeme z lebky
a nařežeme ho na centimetr silné plátky.
Mozky jsou hluboce zmražené, aby vydržely transport do Seattlu.
Pak je bereme po celých hemisférách
a řežeme na přístroji s čepelí, vlastně je to takový kráječ masa.
Oddělenou tkáň pak položíme na mikroskopické sklíčko.
Pak do ní vpravíme barvivo a naskenujeme ji.
A odborníci na anatomii vyznačí základní anatomické oblasti,
čímž vytvoří naši první mapu.
Je to něco jako mapa států, kde vidíte jasná ohraničení.
Potom můžeme mozek rozdělit na další kousky,
které se vejdou do menšího kryostatu.
Zmražená tkáň se dál nařeže na plátky
tlusté 20 mikronů, tedy jako dětský vlásek.
Vše je pořád zmražené.
Tady vidíte, že pracujeme i postaru, se štětečkem.
Potom vezmeme mikroskopické sklíčko
a opatrně do něj tkáň vtiskneme.
Později na to bude roboticky aplikováno barvivo.
Takhle to pak naši anatomové
podrobně vidí pod mikroskopem.
Jsou to soubory různě nahloučených a uspořádaných velkých i malých buněk.
Anatomové pak určí jednotlivé části
a vznikne něco jako popisný atlas či propracovanější mapa.
S pomocí tohoto přístroje pak vědci zkoumají další části tkáně
a provádějí mikrořezy s pomocí laseru.
To znamená, že technici podle instrukcí vyznačí určitou oblast,
a potom ji vyřízne laser (ta modrá tečka na monitoru).
Tady vidíte, jak to probíhá v reálu na mikroskopickém sklíčku.
Vespod je nádobka, kam ta tkáň odpadne.
A my z té tkáně za použití běžné techniky dostaneme RNA.
Tu RNA označíme fluorescenční značkou a celé to potom vložíme na destičku
zvanou "DNA čip".
Asi vám to připadá jako změť teček,
ale jsou to vlastně
jedinečné části lidského genomu,
který jsme umístili na destičku.
Takových částí je tu asi 60 tisíc.
My takto opakovaně zkoumáme různé geny celého genomu.
Provádíme takzvanou hybridizaci
a získáváme něco jako jedinečný otisk prstu,
kvantitativní obraz genů, jež jsou zapnuté.
A to děláme pořád dokola na všech zkoumaných mozcích.
Z každého z nich získáme přes tisíc vzorků.
Tady vidíte oblast zvanou hipokampus.
Podílí se na procesech učení a paměti.
Z celkové tisícovky vzorků jich je asi 70 právě odsud.
V každém vzorku je asi 50 tisíc "teček" čili dat.
Z jednoho mozku máme tisíc vzorků.
Tudíž z každého mozku získáme zhruba 50 milionů dat.
Zatím jsme nasbírali data odpovídající dvěma mozkům.
Dali jsme to všechno dohromady
a teď vám ukážu výslednou syntézu.
Vznikla vlastně ohromná databáze informací
volně dostupných vědcům z celého světa.
Nemusí se nikam přihlašovat; můžou data hned čerpat
a hledat, co je zajímá.
Tohle je tedy náš výstup.
Budete v něm poznávat, co už jsme si ukázali.
Tohle je výchozí šablona MRI.
S pomocí ovládání napravo si můžete mozek natáčet,
přibližovat si ho
nebo si prohlížet konkrétní struktury.
Hlavně však
můžeme na tomto názorném anatomickém podkladu
mapovat oblasti, v nichž je ten který gen zapnutý.
V těch červených oblastech je daný gen hojně zapnutý.
V zelených oblastech je daný gen naopak vypnutý.
Každý gen má takovýto "otisk prstu".
A těch otisků je v každém genomu 25 tisíc
a my jsme je všechny zpřístupnili.
Co z těch "otisků" mohou vědci zjistit? My sami to teprve zkoumáme.
Ale máme okruh základních problémů.
Skvělým příkladem jsou léky jako Prozac a Wellbutrin.
Jsou to hojně předepisovaná antidepresiva.
My sice zkoumáme geny,
ale na základě genových instrukcí vznikají bílkoviny
- a na bílkoviny působí léky.
Léky se mohou vázat na bílkoviny a například je vypínat.
Pochopit, jak účinkují léky,
znamená pochopit jejich žádoucí, ale i nežádoucí účinky na bílkoviny.
Vedlejší účinky jsou ovlivněné tím, kde jsou zapnuté určité geny.
A my to teď umíme zjišťovat. Navíc máme vzorky z více jedinců.
Můžeme vidět cokoli, co v mozku je.
Máme "otisk prstu" od každého genu. Snadno tak zjistíme,
jestli jsou například zapnuté určité geny v serotoninové oblasti,
o které víme, že na ni působí Prozac.
Ale potom taky můžeme prozkoumat další oblasti, a pokud tam
najdeme zapnuté tytéž geny,
víme, že tam hrozí vedlejší účinky.
A můžeme dělat i další věci.
Náš postup je založen na srovnávání "otisků prstů" v databázi.
Můžeme tedy napříč celým genomem
hledat bílkoviny s podobným "otiskem prstu".
Při vývoji léků si tak například můžete
prohlédnout všechny bílkoviny,
které má genom "na skladě",
a optimalizovat léky, aby působily na co nejvhodnější cíle.
Většina z vás asi zná studie o genetické podmíněnosti
v podobě novinových zpráv typu:
"Vědci právě objevili gen, který je zodpovědný za to či ono."
Takové studie jsou běžné a vznikají na základě rozborů
celých genomů u velkých vzorků populace.
Vědci v nich hledají žhavé kandidáty na projevy zapříčiněné geny.
Tímhle postupem ale získáte pouze seznam genů,
aniž víte, kde jsou ty geny zapnuté.
My jsme teď takovým výzkumníkům poskytli velmi důležitou možnost,
aby získali povědomí o projevech genů.
Mohou zkoumat tzv. "společné cesty" [common pathways], což dříve nemohli.
Vy všichni tady jistě dobře víte,
jak důležitá je individualita.
Všichni víme, že každý člověk má
jinou genetickou výbavu
a vede trochu jiný život.
Přesto platí,
že naše genomy si jsou z více než 99 % podobné.
Geneticky jsme si velmi podobní.
A jak jsme zjistili, jsme si dost podobní i s ohledem
na biochemii mozku.
Není to sice 99 %, ale střízlivá horní hranice
může být asi 90 %,
takže základ je vesměs stejný.
Jsou tu ovšem i odchylky; věci, co nepatří do průniku.
Jde o velmi zajímavé, ale nepatrné geny.
Tento poznatek stojí za to vypíchnout a pamatovat na něj.
Ačkoli oslavujeme naši rozmanitost, jsme si docela podobní
- i z pohledu našich mozků.
Jak ale vypadají rozdíly?
Tohle je příkladová studie,
kde jsme po takových rozdílech pátrali, ale jsou jen drobné.
Zkoumali jsme, jak jsou geny zapnuté u jednotlivých typů buněk.
Tohle jsou dva geny vybrané jako příklad.
Gen RELN hraje roli při raném vývoji mozku.
Narušení genu DISC1 je spojováno se schizofrenií.
Tyhle vzorky nejsou od schizofreniků, ale vykazují určitou variabilitu.
Můžete proto vidět, že vzorky od dárců 1 a 4
mají na rozdíl od ostatních
tyto geny zapnuté u specifické podmnožiny buněk.
To nám prozrazují ty temně fialové sraženiny.
Nevíme, zda je to dáno geneticky nebo okolnostmi vývoje.
Potřebovali bychom mnohem větší vzorek populace.
Na závěr lze tedy říci, že mozek je nesmírně složitý
a pořád nám toho zbývá spoustu zjistit.
Naše databáze je mimořádně cenná. Poskytuje vědcům určitá vodítka.
Musíme však analyzovat větší počet mozků. Zatím jich máme jen pár.
Rozloučím se konstatováním, že nástroje máme,
ale stále před námi leží neprobádaný kontinent.
Leží před nám neznámé teritorium.
Před složitostí mozku musíme mít respekt,
ale zároveň se nezaleknout.
To je cesta k budoucnosti. Děkuji.
(Potlesk.)