H. Dieter Zeh

Толщина среза мозговой ткани — всего 5 микрон, в двадцать раз тоньше человеческого волоса. На таком срезе патолог ищет признаки опухоли: изменённую форму ядер, скученность клеток, аномальные сосуды. Работа кропотливая, и два специалиста могут разойтись во мнении об одном и том же снимке.

В 2016 году детектор LHCb на Большом адронном коллайдере записал миллионы протон-протонных столкновений. Среди обломков этих столкновений рождались нейтральные B-мезоны — частицы, которые могут самопроизвольно превращаться в свои античастицы и обратно. Чтобы измерить это превращение, физикам нужно знать, кем была частица в момент рождения: материей или антиматерией.

Когда опухоль затрагивает весь мозг, врачи облучают его целиком. Это надёжный метод, но настройка облучения — кропотливая работа: нужно подобрать параметры так, чтобы опухоль получила нужную дозу, а глаза и хрусталики пострадали как можно меньше. Обычно специалист тратит на это около 15 минут, вручную подгоняя настройки в программе. Теперь этот процесс ускорили.

Опухоль мозга глиобластома коварна: у одних пациентов лекарство темозоломид работает, у других — почти нет. Разница часто кроется в маленьком участке ДНК — гене MGMT. Если этот участок химически «выключен» (метилирован), опухоль хуже чинит свои клетки, и лекарство бьёт точнее.

Кора головного мозга похожа на смятый лист бумаги: у неё есть толщина, изгибы и глубина складок. С возрастом этот лист меняется неравномерно — где-то истончается, где-то теряет чёткость изгибов. Раньше врачи оценивали возраст мозга целиком, как будто смотрели на лист издалека.

Лечение рака протонным пучком похоже на стрельбу из лука: нужно попасть точно в цель, не задев ничего вокруг. Протоны отдают энергию в конце своего пути, поэтому здоровые ткани почти не страдают. Но чтобы выстрел был безопасным, каждый план лечения проверяют заранее — измеряют, какую дозу получит опухоль и что достанется соседним органам.

Детектив ищет преступника по картотеке, но портреты в ней перемешаны. Обычно он ждёт человека с седой бородой, а преступник — молодой и без бороды. Так и врачи часто не узнают болезнь Альцгеймера у тех, у кого она проявляется необычно: не потерей памяти, а проблемами со зрением или речью. Болезнь Альцгеймера обычно связывают с накоплением в мозге двух белков — амилоида и тау.

Ткань мозга на снимке напоминает грозовое небо: светлые пятна, тёмные провалы, размытые края. Опухоль прячется среди этих узоров, и врачу нужно обвести её контур, чтобы спланировать операцию или облучение. Один режим МРТ подсвечивает отёк, другой — ядро опухоли, третий — мёртвые участки.

В тёмной комнате на столе стоят лазерная указка, кусок стекла с тканью и обычная камера от телефона. Свет проходит сквозь образец, и на снимке появляются не клетки, а узор из светлых и тёмных полос — как тень от листвы на стене. По этому узору компьютер учится угадывать, сколько белка HER2 на поверхности раковых клеток груди. Белок HER2 — как дверная ручка, за которую лекарство может ухватиться.

Когда человеку облучают опухоль в области головы или шеи, лучи проходят и через здоровые ткани. Иногда челюстная кость после этого начинает отмирать — это тяжёлое осложнение, которое называют остеорадионекрозом. Вопрос не в том, бывает ли такое, а в том, насколько сильно доза облучения сама по себе увеличивает риск.

Опухоль мозга похожа на путника, который бредёт по густому лесу: деревья и кусты — это разные типы мозговой ткани, где-то легче пройти, где-то труднее. Клетки глиомы движутся не по прямой, а постоянно петляют, натыкаясь на препятствия и обходя их.

Опухоль не сидит на месте. От неё отрываются отдельные клетки или целые группы и отправляются в путешествие по телу. Одни ползут в одиночку, как разведчики, другие держатся вместе, как стайка. Учёные построили компьютерную модель, чтобы понять, как эти клетки выбирают направление. В модели клетки реагируют на два сигнала.

Обычная химиотерапия бьёт по всему организму, как ковровая бомбардировка: страдают и раковые, и здоровые клетки. Учёные ищут более точное оружие — молекулы, которые светятся, когда встраиваются в ДНК раковой клетки, и тем самым выдают её местоположение. Такие светящиеся зонды могли бы помочь врачам находить опухоль на ранней стадии и даже уничтожать её точечно, не задевая соседние ткани.

Камера, которая снимает не лицо, а сам мозг — изнутри, слой за слоем. Обычные томографы часто дают мутную картинку: мелкие детали сливаются, как буквы на запотевшем стекле. Инженеры решили собрать прибор, который видит чётко даже то, что меньше миллиметра. Для этого они взяли кристаллы, которые ловят вспышки от радиоактивной метки в крови, и сделали их толще — 20 миллиметров вместо 15.

Раковая клетка похожа на упрямый замок, который меняет свои ключи, когда вы пытаетесь его открыть. Лекарство действует как отмычка, но клетка быстро находит способ её не пустить. В новом исследовании учёные построили компьютерную модель, которая повторяет поведение раковых клеток при разных поломках в их генах.

Болезнь Альцгеймера начинается незаметно: в глубине мозга накапливаются два белка — тау и амилоид-бета. Они ведут себя как семена сорняка: один появившийся комочек заставляет соседние клетки производить такие же комочки. Постепенно белки расползаются по нервным волокнам, словно вода по капиллярам бумажного полотенца, и захватывают новые области.

Опухоль растёт быстро, и кислорода внутри неё часто не хватает. Обычные лекарства, которым нужен кислород, там бессильны. Но есть молекулы, которые работают иначе: они отбирают электроны у соседних молекул и запускают цепочку, разрушающую раковые клетки. Такие молекулы называют фотосенсибилизаторами — они активируются светом.

Чтобы не потерять в кадре быстрого футболиста, дрону не нужен яркий маячок — достаточно узнавать силуэт. Такой же подход теперь применяют в микробиологии: нейросеть анализирует обычное изображение с микроскопа и мгновенно находит бактерию в капле воды, опираясь только на её естественную форму.

В урбанистике известен парадокс Браеса: введение новой дороги в транспортную сеть может не снизить, а усилить пробки. Долгое время его объясняли эгоистичным поведением водителей, каждый из которых ищет личную выгоду. Однако муравьиные колонии, действующие как единый слаженный суперорганизм без личных интересов, демонстрируют ту же ловушку.

Когда в организм проникает вирус или появляется раковая клетка, на сцену выходят Т-клетки — бойцы иммунной системы. У каждой Т-клетки есть свой рецептор — молекула-замок, которая ищет подходящий ключ: кусочек белка (пептид) на поверхности больной клетки. Если ключ подошёл, Т-клетка активируется и уничтожает врага.

Мозг человека с болезнью Паркинсона работает как оркестр, в котором дирижёр то замирает, то размахивает палочкой невпопад. Лекарства помогают не всем, и тогда врачи предлагают стимуляцию — слабые электрические импульсы, которые возвращают ритм. Но у каждого мозг устроен по-своему: одному подходит один способ, другому — второй.

Радиоактивный изотоп тербий-149 работает как крошечная самонаводящаяся бомба: он цепляется за раковые клетки и взрывается альфа-частицами, которые разрушают опухоль изнутри, почти не задевая здоровые ткани. Но у такой бомбы есть особенность — она ещё и светится позитронами, и этот свет можно поймать специальной камерой.

В операционной хирург подсвечивает опухоль специальным препаратом, который заставляет её светиться. Но как понять, светится она ярко из-за большого количества раковых клеток или просто потому, что лежит близко к поверхности? Обычная камера этого не различает, и врач может ошибиться, оставив часть опухоли или убрав лишнюю здоровую ткань.

Родинка на коже похожа на мозаику из цветных кусочков. Каждый кусочек — это маленький участок снимка, где цвет и текстура почти не меняются. Такие кусочки называют суперпикселями. Если соединить их линиями, получится сеть, похожая на карту метро: станции — кусочки, а линии — связи между ними. Вес каждой линии показывает, насколько сильно связаны два кусочка.

Когда лекарства не помогают при эпилепсии, врачи предлагают операцию: удалить участок мозга, где рождаются приступы. Но заранее сказать, поможет ли это конкретному человеку, сложно. Снимки МРТ до операции показывают только текущее состояние, а не то, как мозг изменится после вмешательства. Новый подход работает как библиотекарь, который ищет похожие истории болезни.

Когда человеку облучают опухоль в мозге, часть энергии попадает и в здоровые клетки. Через несколько месяцев на снимках МРТ у некоторых пациентов появляются светлые пятна — это места, где ткань изменилась из-за радиации. Врачи называют их «радиационно-индуцированные контрастные усиления». Такие пятна не всегда опасны, но они показывают, где мозгу досталось сильнее всего.

Два почти одинаковых замка́ вскрывает одна и та же отмычка. Внешне они похожи, но внутри механизм разный. Примерно так же выглядят два главных типа немелкоклеточного рака лёгкого — аденокарцинома и плоскоклеточный рак. Под микроскопом их можно спутать, а лечение требуется разное. Тут-то и приходит на помощь квантовая «лупа».

Хирург убирает опухоль груди, но как узнать, что по краю не осталось ни одной больной клетки? Сейчас ткань отправляют в лабораторию, и ответ приходит через несколько дней. Если край оказался нечистым — нужна вторая операция. Новый метод обещает дать ответ прямо в операционной, пока пациентка ещё на столе.

Внутри каждого нейрона есть длинный тонкий канал — аксон, по которому сигнал идёт от тела клетки к другим клеткам. Чтобы канал работал, по нему постоянно курсируют митохондрии — крошечные органеллы, которые вырабатывают энергию. Они движутся в обе стороны, как машины по узкой дороге.

Когда футболист бьёт по мячу головой, мозг внутри черепа слегка встряхивается, как желе в закрытой банке. Один такой удар не оставляет следа, но сотни повторяются годами. Врачам трудно понять, когда эти встряски начинают вредить: обычные снимки мозга выглядят нормально, а человек может чувствовать себя здоровым. Учёные нашли другой способ заглянуть в такой мозг.

Мозг — крепость. Его защищает плотный слой клеток, который пропускает внутрь только нужные вещества. Лекарствам через этот барьер не пройти, поэтому многие болезни мозга так трудно лечить. Учёные нашли способ приоткрыть ворота крепости. Они создали устройство, которое посылает в мозг сфокусированный ультразвук. В кровь вводят крошечные пузырьки газа.

Врач разглядывает снимок мозга: где-то в переплетении тканей прячется опухоль. Один взгляд выхватывает мелкие пятна и границы, другой — общую форму и расположение. Человек совмещает оба, но на сотнях снимков это утомительно. Новая программа делает то же самое автоматически. Одна её часть работает как лупа: скользит по изображению и собирает мелкие детали — текстуру, края, локальные изменения.

Опухоль языка — как незнакомец в толпе. Внешне все выглядят почти одинаково, но под поверхностью скрываются очень разные характеры. Одни опухоли ведут себя агрессивно, другие растут медленно. Врачам важно понять, с кем они имеют дело, ещё до операции. Обычно для этого берут кусочек ткани — биопсию. Но такой метод не всегда показывает полную картину, ведь опухоль неоднородна.

Садовый шланг бьёт тонкой мощной струёй. Если водить им по участку, можно полить грядку целиком, не заливая дорожки. Примерно так работает новый подход к лечению глубоких опухолей: вместо широкого потока излучения берут узкий пучок электронов, разогнанных почти до скорости света, и сканируют им опухоль, как струёй воды.

Плесень на хлебе: сегодня пятнышко, завтра — полбуханки. Примерно так же в мозге расползается амилоид-бета — липкий белок, который при болезни Альцгеймера сбивается в клубки и мешает нейронам работать.

Реку, которая течёт не в открытом русле, а внутри губки, и её течение меняется от места к месту, можно сравнить с глимфатической системой мозга. Это сеть тончайших каналов вокруг сосудов, по которым спинномозговая жидкость просачивается вглубь ткани и вымывает отходы, накопившиеся за день.

После инфаркта погибший участок сердечной мышцы можно попробовать заменить живыми клетками, выращенными из стволовых. Но часто случается неприятность: свежий трансплантат начинает работать как собственный водитель ритма, и сердце сбивается с правильного такта. Врачи видят аритмию на кардиограмме, а что именно происходит на стыке «своего» и «чужого» — остаётся за кадром.

Аквапарк с множеством бассейнов, соединённых узкими проходами. Посетители — молекулы воды — плещутся внутри каждого бассейна, но время от времени перебираются в соседний. В опухоли мозга такие «проходы» — это белковые каналы в мембранах клеток. От их количества зависит, как быстро вода перемещается между клетками. Обычная МРТ видит только скопление воды, но не её движение.

Когда нужно рассмотреть мозг изнутри, человека обычно кладут в тесную трубу магнитно-резонансного томографа или облучают рентгеном. Оба способа дороги, громоздки и не всегда доступны.

Город — это живая система: он потребляет ресурсы, выделяет отходы, а его «кровеносная система» — дорожная сеть — доставляет людей и товары к местам назначения. Но пока инженеры проектируют транспортные артерии как жёсткую геометрию прямых линий, природа миллионы лет оттачивает идеальные распределительные сети.