Никос Логотетис – лауреат национальной премии в области будущих технологий «ВЫЗОВ» 2024 года в номинации «Открытие / Discovery» за основополагающий вклад в создание метода функциональной магнитно-резонансной томографии и введение его в повседневную научную и клиническую практику для исследования активности мозга человека.

О ЛАУРЕАТЕ. Никос Логотетис, 73 года. PhD по нейробиологии человека, директор международного центра исследований мозга приматов (ICPBR), почетный директор Института биологической кибернетики им. Макса Планка, специалист в области фМРТ, профессор, нейробиолог и приматолог. Достижение лауреата относится к области методов диагностики головного мозга и изучению механизмов, лежащих в основе восприятия и сознания. Проведенные Никосом Логотетисом научные исследования позволили создать метод, позволяющий неинвазивно изучать активность головного мозга с высоким пространственным разрешением. Используя этот метод – функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ) – были проведены эксперименты для анализа активности мозга в реальном времени. Эти исследования имеют важное значение для понимания работы мозга и природы различных неврологических и психических расстройств. С применением передовых методов фМРТ ученый изучил взаимодействие различных областей мозга, что дало возможность глубже понять, как внимание и восприятие влияют на когнитивные функции. Результаты этих научных изысканий могут привести к разработке новых методов диагностики и лечения неврологических заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и депрессия. Более того, понимание работы мозга может способствовать созданию более эффективных образовательных программ и психотерапевтических подходов, а также улучшению интерфейсов «человек-машина», что в конечном итоге повысит качество жизни людей и улучшит взаимодействие с технологиями. Этот метод незаменим в таких областях, как когнитивная нейробиология, зоопсихология, эволюционная нейробиология и нейробиология развития. В настоящее время Никос Логотетис продолжает развивать метод, комбинируя его с другими инструментами нейронаук. Им были разработаны и внедрены две системы МРТ с высоким полем, которые совмещают функциональную, анатомическую и спектроскопическую визуализацию. Эти системы позволяют проводить одновременную визуализацию и инвазивные записи внутри корковых структур, что открывает новые горизонты для изучения функций, взаимосвязей и нейрохимии мозга приматов.

– Никос, Ваш путь в науку нельзя назвать классическим, расскажите, как получилось так, что история с рок-музыкой превратилась в серьезное изучение тайн мозга?

– Мои родители были греками, которые жили в Турции, и я родился в Стамбуле. В 1966-м моя семья переехала в Афины. В Греции я закончил школу и поступил на математический факультет Афинского университета. Но моим основным интересом на самом деле была не «чистая» математика, а скорее математическая физика и физика плазмы. Я получил степень бакалавра в этой области. Во время изучения математики я также учился играть на фортепиано в Греческой консерватории Афин под руководством Георгиоса Платона, известного композитора и первого пианиста Греческой национальной оперы. В этот период я с друзьями основал рок-группу Peloma Bokiou, где был клавишником. Группа, игравшая прогрессивный рок с некоторыми песнями в духе Карлоса Сантаны, считалась одной из лучших греческих рок-групп. Существует множество наших видео, музыкальных дисков, фотографий и интервью 70-х годов!
Однажды моей маме пришлось лечь в больницу, и я остался с ней на несколько ночей. Я искал книгу, чтобы скоротать время, и наткнулся на труд Жака Моно «Случай и необходимость». Я был очарован его главой о микроскопической кибернетике, в которой он описал связь между клетками нервной и эндокринной систем. Были и другие незабываемые пассажи, такие как его сравнение тесной связи между структурой и функцией в кристаллах, например, сниженной энтропии, отраженной в симметрии, со структурой и функцией в простых живых организмах. Моно предположил, что кристаллы могут быть промежуточным состоянием между неживыми и живыми организмами!
Я был совершенно поражен его любимым проектом и проглотил все книги по кибернетике, которые смог найти в то время, включая книги и эссе Норберта Винера. Все это показалось мне настолько захватывающим, что я загорелся желанием применить свои знания математической физики к системной биологии.
Получение представления о функционировании нашей центральной нервной системы и процессах самоорганизации мозговых сетей казалось мне лучшей исследовательской целью, которую только можно себе представить. Это убеждение становилось еще сильнее по мере того, как я больше читал, и кульминацией стала книга Ильи Пригожина «От бытия к становлению», в которой описывается концепция системной сложности в физических науках.
С тех пор у меня была одна мечта: понять мозг как целую систему: развивать мультидисциплинарный подход для записи мозговой деятельности в различных пространственно-временных уровнях, чтобы описать системную динамику мозга и узнать все, что можно о нейронных состояниях и их переходах.
Конечно, мне предстояло многому научиться и многое сделать, прежде чем я смог достичь этой цели, включая исследования психофизики людей и животных, а также традиционные электрофизиологические подходы. Неудивительно, что тогда я решил поступить на биологический факультет Университета Аристотеля в Салониках в 1977 году, где я получил диплом бакалавра в 1980 году. Затем я поехал в Мюнхен для защиты докторской диссертации в институте, которым руководит профессор Эрнст Пеппель, с которым я с тех пор поддерживаю тесную связь и дружбу.

– Какой была Ваша карьера после получения степени доктора философии?

– После получения степени доктора философии я работал научным сотрудником в лаборатории Питера Шиллера на факультете мозга и когнитивных наук Массачусетского технологического института, где опубликовал свое первое исследование мультистабильного восприятия. В 1990 году я поступил на факультет нейробиологии в медицинском колледже Бэйлора, а в 1996-м переехал в Тюбинген, Германия, чтобы руководить Институтом биологической кибернетики Макса Планка. Я до сих пор являюсь адъюнкт-профессором во многих учреждениях, включая Манчестерский университет Виктории в Англии, Институт биологических исследований Солка и медицинский колледж Бейлора. Также был почетным профессором биологического факультета Тюбингенского университета и адъюнкт-профессором медицинского университета в Афинах.

– Какими были Ваши первые исследовательские шаги?

– Тогда меня интересовали нейрофизиологические основы сознания. Поэтому целью было изучить и понять, какие изменения нейронной активности лежат в основе мультистабильности нашего восприятия, например, с кубом Неккера или иллюзией вазы с гранями Рубина, показанной слева (см. фото).

Я был и остаюсь очень заинтересован в этом исследовательском направлении, поскольку верил, что это не просто особенность нашей зрительной системы. Вместо этого, я подумал, что это говорит нам кое-что о так называемом генеративном восприятии, то есть возникающей когнитивной способности, отражающей двунаправленную иерархическую организацию всего мозга и его способ информирования нас о сенсорной информации, чаще всего основанной на опыте. Чтобы облегчить задачу восприятия обезьянам, я решил начать с чередования восприятия двух дихоптически представленных визуальных стимулов, каждый в одном глазу – явление, называемое бинокулярным соперничеством. Представьте стереоскоп, вы видите морду обезьяны в правом глазу и геометрический рисунок в левом, мы не видим смесь обоих (см. фото).

Восприятие все время чередуется с одного на другое, с очень короткими периодами смешения. До того момента, когда я начал это исследование, преобладающей теорией о соперничестве было то, что оптимизация единого стереоскопического зрения является строго «бинокулярным феноменом», потенциально не связанным с другими мультистабильными феноменами восприятия, такими, как куб Неккера. Я был первым, кто изучил паттерны нейронной активности, связанные с мультистабильным восприятием у обезьян, сообщив о визуальных изменениях, наблюдаемых во время бинокулярного соперничества. Результаты были захватывающими, демонстрирующими, как распределяется мозговая активность в различных областях зрения во время таких чередования. Тем не менее, мне также стало ясно, что мы не знаем, как объединить результаты из всех областей мозга, чтобы понять нейронные механизмы, лежащие в основе сознательного видения. Именно этот вывод заставил меня решительно посвятить свои исследования разработке междисциплинарных и многомасштабных методов, таких как комбинация фМРТ с электрофизиологией, электрохимией, микростимуляцией и т.д.

– Вы были первым, кто провел электрофизиологическую запись с помощью МРТ-сканера?

– Да, действительно. В этом отношении эта технология по-прежнему остается уникальной во всем мире, поскольку она требует расширенной междисциплинарной и синергетически действующей команды исследователей мозга, анатомов, экспертов по фМРТ, электрофизиологов, инженеров-электронщиков и механиков. Это было Общество Макса Планка в Германии, которое действительно с энтузиазмом поддержало это необычное и сложное исследование, предоставив финансирование для приобретения дорогостоящих инструментов, в том числе первых вертикальных сканеров (см. фото), так и для оплаты работы персонала.

ФМРТ сигнализирует одновременно с различными типами нейронной активности, такими как активность отдельных единиц и потенциалы внеклеточного поля (активность небольших нейронных популяций). Высокочастотный диапазон потенциалов поля отражает многоэлементную пиковую активность (MUA) популяций, в то время как низкие диапазоны могут быть разложены на так называемые локальные потенциалы поля (LFP), которые отражают совместную активность в нейронных популяциях, включая входную и перисинаптическую активность. Попытка понять комбинацию различных LFP и MUA, приводящую к региональной модуляции метаболизма, была одновременно увлекательной и ошеломляющей, потому что активность, лежащая в основе модуляции сигналов визуализации, отражает множество одновременных процессов прямой связи и нейромодуляции. Это неудивительно, поскольку локальные отражения глобальной самоорганизации сетей мозга могут быть поняты только с помощью математического анализа, сочетающего пространственно-временные масштабы. Ричард Фейнман был прав, когда сказал, что студенты-биологи боятся физики из-за очень большого количества математических уравнений, встречающихся в книгах. Но это так только потому, что физика достаточно проста, чтобы допускать такой формализм. Биология – нет. А системная нейробиология в настоящее время является самой сложной областью исследований в биологии.

– Имеют ли результаты Ваших исследований отношение к клиническому применению?

– Если у вас нет фундаментального понимания того, как работает мозг, вы не сможете разработать точные методы лечения неврологических заболеваний. Весьма вероятно, что знания, которые мы получили в результате экспериментов, в которых мы комбинируем прямую электростимуляцию (DES) различных участков мозга и МРТ/фМРТ, используются на практике – например, для оптимизации пациентов с болезнью Паркинсона. DES значительно улучшила жизнь десятков тысяч людей, пострадавших от нее. Другим примером того, где может помочь наше исследование, является расположение областей в мозге, которые вызывают эпилептические припадки. До сих пор практически невозможно определить ответственные за это участки нейронов без использования инвазивных методов. Благодаря нашим комбинированным процедурам измерения, надеюсь, станет возможным определять местонахождение эпилептических очагов, используя только МРТ. Хорошее понимание сетевой активности мозга также важно, когда дело доходит до диагностики и лечения деменции. Вы не сможете добиться прогресса, не проводя фундаментальных исследований.

– Откуда Вы черпаете вдохновение?

– Из данных. Нет ничего более богатого информацией, чем исходные данные, которые собираешь в своих экспериментах. Их анализ, сложные алгоритмы предварительной обработки сигналов, статистический анализ, моделирование и даже попытки разработать новые теоретические концепции – все это происходит после этого решающего первого шага.

– Расскажите о Вашем новом институте и направлениях Ваших будущих исследований?

– Я намерен и дальше развивать междисциплинарные подходы, сочетающие функциональную МРТ высокого разрешения с электрофизиологией, обнаружением и мониторингом нейротрансмиттеров, прямой электрической и/или оптогенетической стимуляцией, фармакологической МРТ, анатомическими исследованиями на основе трассирующих сигналов и, что важно, также применяющих комплексный динамический системный подход для получения информации о самоорганизации мультиструктурной и многомасштабной нервной активности. Такая стратегия требует «смешанных» лабораторий со сканерами, физиологическим оборудованием, установками для дрессировки животных и хорошо подготовленным персоналом, понимающим как биологические, так и, в некоторой степени, инженерные аспекты различных технологий. Темы исследований будут включать нейроанатомию, нейрофизиологию и визуализацию, исследования нейромодуляторных систем, нейроинженерию и, конечно же, долгосрочные детальные исследования поведения. Естественное профилирование нормальных и генетически модифицированных животных является «обязательным условием» для создания прототипов нарушений. Международный центр исследований мозга приматов в Шанхае (ICPBR), которым я в настоящее время руковожу, предлагает оптимальные условия для такого рода исследований. Чтобы ускорить исследования в ICPBR, наши сканеры, оптимизированные для комбинированных экспериментов по визуализации и физиологии, вместе со всем оборудованием, разработанным в моей лаборатории в Тюбингене, перевезены в Китай, чтобы начать эксперименты уже в ближайшее время.

– Каково общее влияние вашей работы?

– Поразительным для системной неврологии стало сочетание электрофизиологии с фМРТ, которое, среди прочего, позволило впервые понять природу сигнала, зависящего от уровня кислорода в крови (BOLD), то есть региональных изменений мозгового кровотока (CBF), объема мозговой крови (CBV) и насыщения крови кислородом, причем все три отражают локальные колебания нервной активности. Полученные результаты впервые продемонстрировали, что механизм контрастирования fMRI BOLD отражает входные данные и внутрикортикальную обработку данной области, а не ее пикирующую отдачу. Фактически, увеличение BOLD-ответов может происходить одновременно с сильным снижением активности проекционных нейронов, поскольку активированные ингибирующие интернейроны метаболически очень «дороги». Уменьшение сигнала BOLD, с другой стороны, часто отражает снижение многоэлементной пиковой активности проекционных нейронов. Многие подобные NKL-исследования продемонстрировали, что сигнал фМРТ не может легко отличить специфичную для функции обработку от нейромодуляции, между восходящими и нисходящими сигналами, и это потенциально может спутать возбуждение и торможение.
Недавно я разработал и применил также новую методологию, получившую название NET-fMRI, то есть фМРТ, запускаемая нейронными событиями, которая позволяет изучать взаимосвязь глобальных паттернов мультиструктурной активности с локальными внутренними событиями, такими как рябь, веретена и волны PGO, все они связаны с различными типами обучения, принятия решений и памяти. Цель состояла в том, чтобы изучить и понять механизмы консолидации синаптической и системной памяти. Я скомбинировал фМРТ с многосетевыми записями в гиппокампе, таламусе и парабрахиальном ядре (PBn) и сделал совершенно неожиданное наблюдение, что пульсации гиппокампа, связанные с консолидацией, на самом деле тесно связаны с мощной активацией коры, которая происходит одновременно с особенно интригующим сильным торможением больших участков подкорковых структур мозга, которые участвуют в нейронной пластичности, таких как базальные ганглии, кора мозжечка и мост, система восходящего ретикулярного возбуждения которых может быть вовлечена в синаптическую консолидацию. Неожиданно было обнаружено, что волны PGO имеют два различных типа, возникающих последовательно и избирательно влияющих на рябь и тета-события соответственно. Эти два типа были связаны с противоположной связью спайк-поля гиппокампа, вызывая периоды высокой нейронной синхронности нейронных популяций в периоды пульсаций и тета-событий. Это совершенно новое и удивительное взаимодействие между волнами PGO и рябью, классически ассоциируемыми с совершенно разными стадиями сна, подтверждает идею о том, что глобальный механизм координации динамики сна в гиппокампе с помощью переходных процессов холинергического понтинуса может способствовать консолидации систем и синаптической памяти, а также синаптическому гомеостазу.
Эта работа за последние 25 лет привела к появлению более 500 публикаций, большинство из которых в ведущих журналах и цитировались более 75 тысяч раз. Для меня важен также тот факт, что более 50 моих выпускников в настоящее время являются профессорами на постоянных должностях по всему миру.

– А музыкой еще продолжаете заниматься?

– Да, я совсем немного играю на пианино, часто без нот и почти никогда не репетируя. Музыка проходит через мой мозг автоматически в некотором роде. Мои базальные ганглии и мозжечок все еще молоды. Я играю классику, джаз и много другой музыки. Примечательно, что я обожаю русскую музыку – как любимую во всем мире классику вроде Чайковского, Рахманинова, Бородина и Шостаковича, так и русские романсы. Я собираю диски с Юрием Поповым, исполняющим старинные русские романсы, Анной Нетребко, Семеном Бычковым, Валерием Гергиевым, совершенно фантастической Гульнарой Исмаевой. Мне нравится играть их на фортепиано, и я хочу найти кого-нибудь, кто сможет петь, пока я играю!

Фото с сайта премиявызов.рф и из личного архива Н. Логотетиса