Крис Э.: Добро пожаловать на подкаст Salk Talk. Я ваш хозяин, Крис Эмери. В сегодняшнем подкасте я беру интервью у доктора Сэма Пфаффа. Доктор Пфафф является профессором Института Солка, а также исследователем Медицинского института Говарда Хьюза и заведующим кафедрой Бенджамина Х. Льюиса. Чтобы узнать больше об Институте Солка и его исследованиях, посетите сайт www.salk.edu.

Доктор Пфафф, спасибо, что присоединились к нам сегодня. Ранее в этом году я был в вашем офисе, и вы показали мне эти прекрасные фотографии ярко окрашенных пучков нейронов, растущих в лабораторной чашке. И у вас было видео этих связок, и они вспыхивали, как стробоскопы, и вы сказали мне, что назвали их «схемоидами». Так ты говоришь?

Сэмюэл Пфафф: Верно, Крис.

Крис Э.: Что такое схемоиды?

Сэмюэл Пфафф: Это одна из роскошей, которая есть у нас в науке. Иногда мы придумываем что-то новое, мы можем позволить себе роскошь дать этому свое имя. Приживется ли название Circuitoid или нет, покажет время. С помощью названия «схемоид» мы намеревались передать идею о том, что мы сконструировали то, что можно было бы считать очень синтетической схемой. И он был построен, начиная с эмбриональных стволовых клеток. В нашем случае это эмбриональные стволовые клетки мыши, потому что мы можем генетически модифицировать эти клетки, чтобы видеть и отслеживать различные типы клеток. И мы были очень заинтересованы в создании специфических типов нейронов, которые обычно находятся в спинном мозге, из эмбриональных стволовых клеток. Затем спросили, можем ли мы объединить те очищенные нейроны, которые мы получили из эмбриональных стволовых клеток, таким образом, чтобы начать производить активность, которую мы обычно обнаруживаем в спинном мозге.

И деятельность, которую мы искали, была той деятельностью, которая находится в области, известной как деятельность центрального генератора шаблонов. И то, что представляет собой эта активность, — это основная цепь в их спинном мозге, которая управляет чередующимися шаговыми движениями наших ног. И одна из отличительных черт этой цепи — то, что она чередуется. Это включено и выключено.
Крис Э.: И это было мигание?

Сэмюэл Пфафф: И это было мигание. Итак, у нас были инженерные клетки, ну, сначала мы создали различные типы нейронов, которые вы найдете в спинном мозге. Затем мы объединяли их в блюде, в правильном сочетании. А затем мы подвергли их воздействию некоторых препаратов, некоторых нейротрансмиттеров, которые обычно присутствуют в спинном мозге. И сами взяли на себя активность Центрального Генератора Образцов, и начали мигать. Почти как если бы они пытались послать инструкцию, что мы хотим воспроизвести ритм ходьбы или шага. Название Circuitoid звучит довольно глупо, на самом деле оно происходит из более длинной истории других видов связанных терминов. А в области стволовых клеток уже были придуманы термины «эмбриоид» и «органоид». И вы можете догадаться, что это потому, что стволовые клетки использовались для производства эмбрионоподобных и органоподобных тканей. И поскольку мы произвели ткань, подобную цепи, мы расширили ее до названия цепи.

Крис Э.: Так что же делать с схемоидом? Они у вас есть, вы положили их в тарелку, они срослись, чтобы сформировать такие основные цепи, которые вы можете найти в спинном мозге. Какой следующий шаг?

Сэмюэл Пфафф: Я киваю головой «да», потому что… Никто этого не видит. Итак, самые разные вещи. Типы вопросов, которые, как мы думали, были немедленно доступны с системой, были вопросами, связанными с пониманием таких вещей, как, например, как вы регулируете скорость шага? Мы не очень хорошо понимаем, как это делается. И мы предположили, что различное соотношение нейронов, вовлеченных в цепь, может влиять на то, насколько быстрым или медленным будет ритм, производимый цепью, может влиять на эту ритмичность.

Таким образом, мы смогли проверить это напрямую, взяв очищенные нейроны и объединив их в разных соотношениях, а затем измерив скорость мигания, которое вы видели. И мы обнаружили, что определенная группа нейронов, когда мы изменили их концентрацию, была способна изменить скорость активности цепи. И это был бы эксперимент, который было бы очень трудно провести на животном, где трудно просто изменить соотношение нейронов относительно друг друга. Это то, чем мы могли бы воспользоваться в блюде. Мы можем контролировать цифры, и это была одна из вещей, которые мы делали.

Теперь, в будущем, у нас есть большие надежды на то, что мы сможем расширить это до исследований, где мы начнем думать о том, как мы могли бы использовать это для понимания методов лечения травм спинного мозга. И прямо сейчас в лаборатории ведутся проекты, в которых мы берем некоторые из клеток, которые мы изучали в контексте цепи, и начинаем пересаживать их обратно в спинной мозг. Это исследования на животных, исследования на мышах и изучение того, как нейроны интегрируются в среду своего хозяина. Итак, следующие шаги для нас, один из следующих шагов — посмотреть, как мы можем применить это к чему-то, что имеет клиническое значение. Но, сказав это, все еще есть много очень фундаментальных вопросов, которые необходимо решить в отношении понимания того, как схема на самом деле обрабатывает информацию. доступной системы, чем изучение животного. И мы также пытаемся понять очень фундаментальные принципы работы схемы.

Крис Э.: Итак, вернемся назад. Как вы заинтересовались исследованием спинного мозга? Нервная система занимает большое место. Как ты приземлился на спинной мозг?

Сэмюэл Пфафф: Верно. Вы знаете, отчасти это проценты, а отчасти удача, я бы сказал. Если вы не возражаете, могу я уделить немного времени и рассказать вам о своей карьере?

Крис Э.: Абсолютно.

Сэмюэл Пфафф: Хорошо, возможно, это будет немного многословная история, которая дойдет до вашего возможного вопроса. Я вырос в Миннесоте, и мой отец работал в клинике Майо. Вероятно, меня считали довольно занудным ребенком, хотя, как и многие жители Миннесоты, я тоже проводил много времени на свежем воздухе.

Крис Э.: Летом?

Сэмюэл Пфафф: Летом. Но, знаете, в Миннесоте люди не говорят о плохой погоде. Вы просто делаете это. Так что летом и зимой на улице было много. Но я очень, очень интересовался наукой. Знаешь, у меня была коллекция окаменелостей. У меня были коллекции насекомых. Все виды вещей. У меня был свой маленький микроскоп. Меня просто завораживало все, что я мог увидеть и начать понимать, особенно в биологическом контексте. И мне повезло в том, что у меня была возможность, еще будучи старшеклассником, работать в исследовательской лаборатории клиники Майо. И мое первое знакомство с исследованиями было в области нервных заболеваний. Что-то, называемое периферической невропатией. И это была лаборатория, которой руководил клиницист, так что все было очень связано с болезнями.

В то время я не обязательно формулировал конкретное желание работать только с нервной системой или со спинным мозгом, но я действительно знал, что люблю биологические исследования. Это просто полностью очаровало меня. Так что я пошел в колледж, конечно. Я учился в колледже Карлтон в Миннесоте. Это гуманитарная школа. Я плохо справлялся со всем, что не было связано с наукой, что только усиливало мое желание-

Крис Э.: Вы были на правильном пути?

Сэмюэл Пфафф: Что я на правильном пути. Но оказывается, что для всех молодых людей, которые думают о науке, письмо и общение — невероятно важная часть науки, и всестороннее образование, безусловно, окупится. Итак, я пошла в Карлтон и взяла один из предметов, которые я посещала, была биология развития. Эмбриология плода. Одним из наших занятий было наблюдение за развитием эмбриона лягушки из оплодотворенной яйцеклетки.

Эмбрион лягушки может развиться примерно за 24 часа, и он может превратиться из оплодотворенной яйцеклетки в плавающего головастика, реагирующего с окружающей средой, за 24 часа, и вы можете наблюдать за этим в режиме реального времени. Я был так очарован, что не спал всю ночь в лаборатории, наблюдая в микроскоп за делением клеток, и вдруг эта штука смогла плавать, ощущать прикосновение и дышать. И я подумал: «Это такой замечательный биологический процесс». Есть миллион вопросов, связанных с тем, как вы переходите от одной клетки к созданию всевозможных специализированных клеток, построению нервной системы.

Биологией, которой я действительно хотел бы заниматься, является биология, связанная с развитием плода. Поэтому после колледжа я поступил в Калифорнийский университет в Беркли, отчасти потому, что там была феноменальная группа ученых, изучавших эмбриологию. И я собирался получить докторскую степень в области эмбриологии. Но это было также время расцвета молекулярной биологии, когда можно было начать клонировать гены и действительно изучать функцию генов. Было еще рано, но было ясно, что это будет инструмент, который действительно поможет сформировать наше понимание биологии.

И тогда я как бы столкнулся с трудным решением, когда решал, в какие лаборатории идти. Должен ли я пойти в лабораторию, которую я бы охарактеризовал как традиционную эмбриологию, которая действительно изучает вещи на клеточном уровне, или я должен подумать о том, чтобы пройти обучение в более молекулярных системах и вернуться к изучению биологии развития с молекулярным подходом. И я решил, что мне действительно нужно развить свои навыки в понимании молекулярной биологии и вернуться к проблемам эмбриологии, потому что я действительно хотел изучать эмбриологию на молекулярном уровне. И поэтому я пошел в лабораторию, изучавшую биологию рака, думая, что рак — это нечто противоположное развитию. Это своего рода аберрация развития и неправильная регуляция клеточной идентичности. И я многому научился в молекулярной биологии в этом контексте.

А затем я поступил в докторантуру, в рамках которой начал работать в области эмбриологии с эмбрионами лягушек и применять свои молекулярные навыки. Но чувствовал, что я еще не в том состоянии, когда смогу получить те должности преподавателей, которые мне нужны. И моей мечтой было побывать в таком месте, как Институт Солка, который представляет собой чистую, настоящую науку без каких-либо других отвлекающих факторов. И поскольку я не собирался делать этот шаг напрямую, я решил пройти еще одну постдокторскую стипендию. И в то время был очень известный ученый, еще в начале своей карьеры, по имени Том Джесселл, также внештатный научный сотрудник Института Солка, который был одним из ведущих людей, применяющих молекулярные методы для понимания развития. .

И разработка, которая его очень интересовала, — это развитие нервной системы. И он принял очень сознательное решение изучить спинной мозг, думая, что спинной мозг, зная, что спинной мозг, конечно же, функционально важен для многих действий, которые мы совершаем, и поведения, которое мы выполняем как люди. Но помимо этого, зная, что спинной мозг является частью центральной нервной системы, но, возможно, относительно простой частью нервной системы. И если вы собираетесь с чего-то начать, давайте разработаем основные принципы в более простой системе.

Так что я отправился в лабораторию Джесселла, и это действительно укрепило мою, которая находится в Колумбийском университете… Это действительно укрепило мой интерес к исследованиям молекулярного развития нервной системы и действительно сосредоточило мое внимание на спинном мозге и, в частности, на его части. спинной мозг, контролирующий движения. И после того тренинга с Томом Джесселом, который прошел чуть более двадцати лет назад, в моей лаборатории применялись различные подходы к изучению спинного мозга и, в частности, к изучению движений. Но на него очень сильно повлиял тот карьерный путь, который я только что описал, и особенно наставник Том Джесселл. Так что это был длинный ответ, прошу прощения.

Крис Э.: Нет, не надо. Это именно то, что я хотел знать, как вы попали в это место. Вы знаете, это забавно, я думаю, что многие люди, в том числе и я, когда мы думаем о позвоночнике или спинном мозге и двигательной системе, склонны думать о нем как о входящих и исходящих проводах. Мозг делает все, но из разговоров с вами и другими здесь, в Солке, вы быстро узнаете, что за пределами мозга происходит гораздо больше. Происходит гораздо больше вычислений и более сложных схем, о которых мы не подозреваем на сознательном уровне, понимаете, ниже нашей шеи.

Сэмюэл Пфафф: Верно, итак, теперь вы переходите к тем вещам, из-за которых я засиживаюсь до поздней ночи, и к тому, о чем я думаю, когда принимаю душ, извините, что переходил на личности. Да, когда дело доходит до нашей способности контролировать свои движения, что является одной из фундаментальных вещей, которые мы делаем. Я думаю, что большинство людей интуитивно осознают, что то, как мы взаимодействуем с нашим миром, как мы себя ведем, на самом деле является следствием нашей способности двигаться.

И есть много разных частей нервной системы, которые способствуют нашей способности двигаться. И вы можете разбить его по-разному, с точки зрения различных частей нервной системы, так что моторная кора является очень важной частью области нервной системы, которая контролирует движение, но вы также затронули кое-что. это становится все более очевидным, и это то, что в головном мозге, стволе головного мозга и спинном мозге есть несколько слоев схем, каждый из которых влияет на обработку команд для регулирования движения.

И они делают это разными способами, так что вместо того, чтобы вдаваться в очень длинную дидактическую лекцию по этому вопросу, возможно, мы можем затронуть несколько интуитивных вещей. Итак, одна из интуитивных вещей заключается в том, что когда вы прикасаетесь к горячей сковороде, вы, мы все осознаем тот факт, что мы очень быстро убираем руку от нее, и часто еще до того, как почувствуем саму боль. И этот вид реакции, известный всем как рефлекс, настолько быстр, что отключает большую часть схем, которые контролируются на уровне мозга. Это просто сигнал мозга, который передается от кожи обратно в спинной мозг, и затем должна произойти обработка, после чего спинной мозг передает сигнал «Двигай рукой».

Теперь, как бы просто это ни звучало, просто двигайте рукой, реальность такова, что то, как мы двигаем рукой, даже в контексте этого подсознательного типа реакции, выполняется очень, очень точным образом. Мы не засовываем руку дальше в кастрюлю. Отводим руку назад. И в зависимости от того, где начинается ваша рука, реакция, которую вы активируете, очень точно контролируется. И причина, по которой я указываю на это, состоит в том, чтобы попытаться поднять вопрос о том, что хотя рефлексы — это очень простой вид реакции, который приводит к движению конечности, он строго регулируется множеством различных мышц в вашей руке, в вашем теле. запястье, внутри предплечья, в бицепсе, трицепсе и плече — все работает вместе, и это требует большого количества нейронных процессов, которые должны произойти. И это произошло без использования какой-либо части мозга. Все произошло на уровне спинного мозга.

Крис Э.: Нет сознательной мысли, что «я собираюсь это сделать».

Сэмюэл Пфафф: Верно. Именно такие вещи открыли нам, что сам спинной мозг — это не просто реле или кабельный центр, а действительно важный слой схемы, контролирующий наши движения. И, может быть, просто сделать еще один шаг вперед… Проблема, с которой мы сталкиваемся, пытаясь понять, как мы контролируем наши движения, вы можете как бы разбить на вычислительную проблему, пытаясь понять, как примерно 650 мышц в нашем теле работают. регулируется. И всякий раз, когда мы выполняем даже простую задачу, например, я выпил чашку кофе и только что поднял ее… В этой простой задаче задействовано, вероятно, порядка сотни различных мышц.

И это не просто «Давайте активируем сто мышц». Это «Давайте активируем сотню мышц с правильным относительным временем и относительными усилиями по сравнению друг с другом». И мы можем выполнять такие движения, не задумываясь. Вы можете водить машину, идти по улице, думать о многих других вещах и выглядеть довольно скоординированным человеком, путешествуя по миру. Если вы сведете это к задаче, которую должен был решить суперкомпьютер, то это будет невероятно сложной задачей для суперкомпьютера из-за всех вычислений о том, какие мышцы я буду использовать? В каком порядке я буду его использовать? Как мне получить какую-то обратную связь, чтобы я знал, не раздавил ли я чашку и не держу ее так легко, что собираюсь ее уронить? И это одна из причин, почему, если вы посмотрите даже на довольно сложных роботов, они выглядят довольно роботизированными и жесткими. Это потому, что вычисления огромны.

Нервная система и отчасти спинной мозг, по-видимому, нашли способы очень эффективного выполнения этих вычислений. Там, где суперкомпьютеры потребляют огромное количество энергии, и у них есть кондиционеры для охлаждения, мы так не устроены. Так что, по-видимому, биология нашла несколько довольно умных решений для выполнения некоторых очень сложных вычислений. И именно такая сложность нас действительно интригует. Мы хотим проникнуть туда и понять, как нейронные схемы в спинном мозге обрабатывают информацию, и насколько хорошо и эффективно они работают.

Теперь я затронул тот факт, что нас интересует развитие нейронов, и я упомянул такие вещи, как стволовые клетки, и теперь, когда я говорю о схемах, вы можете задаться вопросом, есть ли какая-то связь между ними. И отчасти потому, что для того, чтобы понять, как работает система, один из подходов, который мы использовали, состоит в том, чтобы в первую очередь попытаться увидеть, как природа собрала ее воедино. И логика в том, что если мы можем стоять на сборочной линии, которая является эмбриональным развитием, мы можем видеть, как все части строятся и собираются вместе, и у нас может быть лучшее понимание того, как на самом деле работает машина. И поэтому многие наши исследования сочетают исследования развития с исследованиями цепей, чтобы лучше понять, как спинной мозг и нервная система обрабатывают информацию.

Крис Э.: Таким образом, понимание того, как это работает, также закладывает основу для понимания того, что идет не так, когда мы заболеваем. Ваша лаборатория недавно обнаружила, что отсутствие молекулы под названием микроРНК приводит к дегенерации моторных нейронов в спинном мозге. Так-

Сэмюэл Пфафф: Да.

Крис Э.: Прежде всего, что такое микроРНК? Для наших слушателей.

Сэмюэл Пфафф: МикроРНК — это симпатичная РНК, потому что она маленькая. Это РНК длиной всего около 22 нуклеотидов. И это целый мир генной регуляции, о существовании которого биологи и молекулярные биологи даже не подозревали примерно двадцать лет назад. С помощью очень простых генетических экспериментов, которые проводились на морских элегантных животных. И это выявило тип генной регуляции, который мы никогда не смогли бы предсказать, если бы не наткнулись на него.

Впервые он был обнаружен у простых червей, и теперь мы знаем, что этот тип регуляции также существует у большинства видов, включая человека. И что это важный дополнительный способ контролировать уровень производства генов в каждой из наших клеток. Нас заинтересовала именно эта микроРНК, у которой не очень броские названия, они просто пронумерованы. Итак, мы работали, работали и продолжаем работать над микроРНК 218. И мы обнаружили это, потому что нас очень интересовали спинальные двигательные нейроны. Это нейроны, которые находятся в спинном мозге и имеют длинные тонкие аксоны, идущие от спинного мозга к мышцам. И это нейроны, которые вам нужно активировать, если вы хотите, чтобы мышца могла сокращаться.

Это также нейроны, на которые влияют болезни. Такие болезни, как БАС, поэтому мы записываем этот подкаст прямо сейчас, и это примерно через неделю после смерти Сэма Шепарда… Актер и драматург. Он скончался от БАС. Это нейродегенеративное заболевание, которое избирательно приводит к гибели двигательных нейронов. И следствием этого заболевания является то, что многие аспекты мозга сохраняются, поэтому люди с этим заболеванием часто прекрасно понимают, что происходит, сохраняют все свои когнитивные функции, но не могут двигаться. И если вы не можете двигаться, это невероятно неудобно, но также и опасно для жизни, потому что в конце концов вы не сможете дышать, не сможете есть, не сможете глотать. И поэтому она становится смертельной болезнью. У нас нет абсолютно никаких методов лечения, эффективных для предотвращения БАС.

Есть еще одна эмбриональная форма, я бы сказал, БАС, заболевание, называемое спинальной мышечной атрофией, сокращенно СМА. И это также из-за потери двигательных нейронов. Таким образом, из многих прошлых исследований СМА и БАС мы начали получать некоторые сведения о генетических факторах риска, вызывающих эти заболевания. И одна из вещей, которая становилась все более и более очевидной в этом накоплении информации, заключалась в том, что эти заболевания могут влиять на способ обработки РНК. Теперь я говорю в общих чертах, поэтому приношу свои извинения некоторым настоящим экспертам, но это была своего рода подсказка, которая побудила нас задаться вопросом, нет ли микроРНК, присутствующей в двигательных нейронах, которая может иметь решающее значение для регулируют активность генов в двигательных нейронах и могут быть затронуты при этих заболеваниях, при которых происходит дегенерация двигательных нейронов.

Таким образом, одна из вещей, которая буквально взорвалась за последнее десятилетие или около того, заключалась в возможности делать то, что называется секвенированием следующего поколения, теперь вполне реально пойти и секвенировать все транскрипты РНК в типе клеток и понять, что это такое. гены активируются в клетке. И мы используем эту технологию, чтобы идентифицировать или обнаружить, что в моторных нейронах есть микроРНК, которая очень, очень селективна в отношении этих моторных нейронов. Те, которые я обозначил как микроРНК 218. Отсюда мы пошли дальше, чтобы показать, что если вы предотвратите активность микроРНК 218 в мотонейронах, эти мотонейроны начнут дегенерировать. И теперь это неопровержимое доказательство, которое указывает нам на то, что, возможно, одной из основных проблем с дегенерацией двигательных нейронов является неспособность должным образом активировать или регулировать то, как микроРНК 218 вырабатывается и функционирует в двигательных нейронах.

Таким образом, у нас есть ряд проектов, находящихся в стадии реализации в лаборатории, чтобы действительно попытаться определить, существует ли критическая связь между моторной дегенерацией и микроРНК 218. Помимо этого, микроРНК, как правило, очень важны для регуляции клеточной функции, и нам повезло работать в учреждении, которое действительно хорошо подходит для такого рода молекулярных исследований, и некоторые из наших экспериментов действительно раскрывают новую фундаментальную информацию о том, как обрабатываются микроРНК и как микроРНК на самом деле регулируют активность генов.

Надеюсь, мы узнаем некоторые важные вещи о двигательных заболеваниях, и я также надеюсь, что некоторые из этих знаний помогут понять, как также контролируется регуляция генов в других типах клеток. Даже если он не контролируется miRNA 218 напрямую, он может контролироваться другими аналогичными микроРНК.

Крис Э.: Так вы велосипедист?

Сэмюэл Пфафф: Да.

Крис Э.: Очевидно, деятельность, ориентированная на движение. Ты когда-нибудь-

Сэмюэл Пфафф: Да, велосипедист.

Крис Э.: Велосипедист. Там есть различие?

Сэмюэл Пфафф: Должен признаться, я тоже люблю кататься на мотоциклах, так что.

Крис Э.: Два колеса.

Сэмюэл Пфафф: Да, большую часть времени я провожу на двухколесных велосипедах.

Крис Э.: Вы когда-нибудь ловили себя на том, что, крутя педали, думаете о том, чтобы использовать себя в качестве экспериментальной модели?

Сэмюэл Пфафф: И да, и нет. Бывают моменты, когда я ужасно страдаю, поднимаясь в гору, и я не уверен, что происходит в моем мозгу, кроме как «Надеюсь, я доберусь до вершины». Недавно моя дочь задала мне вопрос, почему ты ездишь на велосипеде? Почему ты так любишь кататься на нем? И пока я думал, она сказала: «Папа, держу пари, это потому, что ты просто пытаешься удлинить свои теломеры». Что заставило меня рассмеяться, потому что я думал, что она собирается сказать что-то вроде того, что это просто здоровый способ для общей физической подготовки. Но вместо этого она вернулась с теломерной реакцией, которая является своего рода внутренней шуткой, потому что Институт Солка, в Институте Солка, нашим президентом является Элизабет Блэкберн, которая получила Нобелевскую премию за свою основополагающую работу над теломерами. Поэтому я думаю, что, возможно, было уместно, что она упомянула теломеры.

Крис Э.: Она была очень увлечена.

Сэмюэл Пфафф: Да.

Крис Э.: Хорошо, доктор Пфафф, большое спасибо за то, что присоединились к нам сегодня и поделились своим карьерным путем и частью работы, которую вы делаете. Спасибо.

Сэмюэл Пфафф: Крис, с удовольствием. Спасибо.

Крис Э.: Чтобы узнать больше об Институте Солка и его исследованиях, посетите сайт www.Salk.edu.