Антивещество и бессмертие

16 августа 1976 года на двух здоровых добровольцах была впервые испытана позитронно-эмиссионная томография. Вырабатывать в голове человека антивещество и проводить там его аннигиляцию, чтобы увидеть работу мозга, придумал Луис Соколофф. Это был психоаналитик, разочарованный в своей беспомощности. Подглядывая за активностью разных областей мозга, неожиданно для самого себя он дал онкологам ценнейший инструмент. Только позитронное сканирование позволяет узнать точно, пережила опухоль химиотерапию или на рентгене видны всего лишь её останки.

Луис Соколофф — американец, рождённый в 1921 году в семье эмигрантов из России. Свою фамилию он произносил с ударением на первом слоге.

Вырос в Южной Филадельфии, где в то время мальчику с Третьей улицы лучше было не появляться на Второй. И если с пришельцем происходили вполне предсказуемые неприятности, ребята с Третьей затевали жестокую перестрелку из рогаток с соседями. Случались увечья вплоть до потери глаза. В школе вражда принимала форму соревнования в успеваемости, где Луис одержал победу, окончив с лучшим баллом. Это давало право на бюджетное место в университете штата Пенсильвания. Там Соколофф заинтересовался клеточной биологией, работал лаборантом. И быть бы ему сравнительно далёким от медицины генетиком, не начнись Вторая мировая война.

Как Будда ушел из психиатрии

Когда в 1943-м американская армия высадилась в Европе, даже бакалавров призывали рядовыми. Научный руководитель посоветовал Соколоффу подать документы в медицинскую школу при том же университете, чтобы получить право на отсрочку. Готовили там военных врачей, со строевой подготовкой, чтением карт и противотанковыми учениями. Пока шёл ускоренный курс, война закончилась, но Соколофф оставался военнослужащим, и ему предстояла интернатура, также ускоренная, год за 9 месяцев. По очереди интерны практиковались в хирургии, акушерстве и гинекологии, лабораторных исследованиях, неврологии и психиатрии.

Как самое интеллектуальное направление, Соколоффу импонировала психиатрия. Госпитали были забиты контуженными с боевым неврозом (посттравматическим расстройством), который лечили психоанализом. Его эффективность так увлекла Соколоффа, что он вызвался дослуживать положенный срок как военный психиатр.

Но очень скоро закрались сомнения в универсальности психотерапии. Не происходят ли в иных случаях такие изменения работы мозга, которые не поправишь словом?

Слева: Луис Соколофф (1921-2015), автор идеи метода позитронно-эмиссионной томографии. Справа вверху: Мартин Ривич (слева), инициатор использования ПЭТ в клинике и Дэвид Кул (справа), создатель первого позитронно-эмиссионного томографа, 16 августа 1976 года. Справа внизу: Прантика Сом (1942-2010), специалист по ядерной медицине Брукхейвенской национальной лаборатории – первый врач, выявивший опухоль при помощи ПЭТ (1980).

Уход нашего героя из психиатрии несколько напоминает легенду о Будде. Родители скрывали от царевича Сиддхартхи существование страданий, окружая только здоровой и весёлой молодёжью. Его представление о мире перевернулось, когда он в 29 лет выбрался из дворца и встретил сначала старика, потом паралитика и наконец покойника. Потрясённый царевич ушёл из дворца, принял имя Гаутама, стал изучать философию, наконец, достиг просветления и стал Буддой.

Путь Соколоффа определили несколько его пациентов: солдат, внезапно научившийся владеть парализованной рукой; раненый с амнезией, который вдруг вспомнил свою жизнь; и нимфоманка, спокойно отказавшаяся от секса на время Великого поста.

Такие внезапные перемены в работе мозга должны были иметь какое-то объяснение. Соколофф задал себе вопрос: «Что происходит с мозгом во время панических атак?» Психоаналитики, начиная с Фрейда, лечили приступы страха, не постигая их физической основы. Между тем, панические атаки материальны, выявляются при электроэнцефалографии. Но что означают её данные? Какие нейроны работают неправильно, меняя электрическую активность всего мозга?

Будда в своих духовных исканиях пришёл к тому, что ум человека — это не вещь, а сознание не поддаётся измерению и вычислению. Соколофф, напротив, решил измерить работу мозга и оценить её математически. По окончании военной службы в 1949 году он пришёл к преподавателю своей медицинской школы, доктору Сеймуру Кети, который в университетской лаборатории измерял объём и скорость кровотока в сосудах мозга.  

Как мучились котики во имя науки

Момент оказался удачный: Кети как раз получил грант на новое исследование, и у него была вакансия. На такую зарплату можно было нанять двух врачей, но подумав, Кети отдал Соколоффу всю ставку, потому что энтузиазма юного доктора хватало на двоих.

Измеряя кровоток и сравнивая концентрацию газов в артериях и венах, они устанавливали расход кислорода в мозге. Чем эта величина выше, тем больше производится и потребляется энергии. Оказалось, что падает она лишь при коме или обмороке. Мозг спящего сжигает столько же кислорода, сколько мозг бодрствующего, и шизофреник в этом отношении не отличается от здорового индивида.

Когда это было опубликовано, среди учёных нашлось немало «буддистов», которые высмеивали результаты как очевидные, прибавляя, что мысль нематериальна. А стало быть, потребление энергии при умственной работе нулевое или бесконечно малое. Тогда Соколофф и Кети решили измерить кровоток отдельной области мозга, стимуляция которой наиболее наглядна. Была выбрана зрительная кора, а в качестве подопытного животного — кошка.

Идея состояла в том, что при интенсивном наблюдении кислород и другие газы активнее поглощают из крови те центры мозга, которые отвечают за зрение и обработку сигнала. В кровь вводили радиоактивный иод-131, в форме газообразного трифториодметана: газы преодолевают гематоэнцефалический барьер, который защищает мозг от случайно попавших в кровь примесей. Едва изотоп собирался в зрительном центре, животному отрубали голову. Мозг замораживали и разрезали на тонкие пластинки. Затем каждую пластинку накладывали на рентгеновскую пленку, которая засвечивалась под богатыми изотопом участками. Получалась своего рода томограмма.

Чтобы показать различия в работе мозга нормального и больного животного, некоторым кошкам зашивали один глаз. Причём делать это приходилось без анестезии, потому что стимулировать зрительный центр под наркозом бессмысленно. Полученные снимки стали первой в мире визуализацией мозговой активности.

На этот опыт ушло пять лет упорного труда, и он лишь подтверждал давно известное. Физиологи и психиатры установили зону ответственности каждого клочка мозга ещё в Первую мировую, когда хватало раненых в голову.

Как узнать, кто в доме главный

Самому Соколоффу исследование кровоснабжения области мозга представлялось попыткой изучать быт по водопроводу и канализации. Вот установлено, сколько обитатели нашей квартиры израсходовали воды, когда они стирают бельё и чем болеют. Но главу семьи так не выявишь: для этого надо знать, сколько каждый из нас тратит денег.

Стадии подбора ключа к гематоэнцефалическому барьеру для выполнения ПЭТ. Слева: формула глюкозы, роль которой как основного источника энергии клеток мозга Соколофф показал в 1957 году. В центре: формула дезоксиглюкозы, меченной углеродом-14 (не сработало). Справа: формула 18F-ФДГ (18F-фтордезоксиглюкозы).

Внутри мозга есть одна ходячая монета — глюкоза. Когда в 1957 году Соколофф писал главу для справочника по физиологии, он показал, что сахара — единственный источник энергии для клеток мозга. Белки и жиры не проходят гематоэнцефалический барьер. Казалось бы, достаточно скормить животному глюкозу с радиоактивным углеродом, и потом узнать, какая из клеток больше его накопила. Но не тут-то было. Глюкозу в мозгу тратят так же быстро, как зарплату в магазине: за полторы минуты от неё остаётся углекислый газ, который тут же выводится с кровью.

Случайно, работая по совсем другой теме, Соколофф узнал, что дезоксиглюкоза, которая отличается от глюкозы отсутствием одного атома кислорода, вызывает кому. Разделывать её быстро ферменты нейронов не умеют, и она накапливается. Это как если бы зарплату выдавали не наличными, а кирпичами — их надо ещё продать, на что требуется время. Соколофф запомнил это соединение.

От мысли пометить его радиоактивным углеродом-14 пришлось отказаться: этот изотоп живёт долго, потому что распадается медленно. Более радиоактивные тяжёлые металлы не пройдут гематоэнцефалический барьер. Нужно, чтобы сама клетка мозга стала источником радиации, которую может засечь прибор. Соколоффу попалась работа химиков Брукхейвенской лаборатории об антивеществе.

Как летало антивещество

Что такое антивещество, или антиматерия, мы до конца не понимаем. Возможно, это материя, которая движется нам навстречу во времени: из будущего в прошлое. Электрон в антимире имеет положительный заряд и называется позитроном. Когда он образуется при распаде, например, изотопа фтор-18, то немедленно аннигилирует с первым попавшимся электроном. При этом вся масса обеих частиц превращается в энергию, испускаемую в форме гамма-излучения. Чтобы устроить встречу с антимиром внутри мозга, можно заменить атом водорода в дезоксиглюкозе атомом радиоактивного фтора-18: химические свойства почти те же, а гематоэнцефалический барьер подмены не заметит.

Физическая стадия эксперимента 16 августа 1976 года. Слева: циклотрон Брукхейвенской национальной лаборатории, построен в 1939 году изобретателем циклотронов Эрнестом Лоуренсом – первый в мире циклотрон, использованный для нейтронной терапии. В центре: постдок из Японии Тацуо Идо устанавливает на этот цилотрон неоновую мишень для получения фтора-18 путем бомбардировки ядер неона дейтронами. Справа: готовый препарат фтора-18 прибыл в аэропорт Филадельфии, 16 августа 1976 года

Во время Пражской весны чехословацкие химики разработали реакцию такой замены, и Соколофф опубликовал несколько впечатляющих снимков функциональной активности мозга обезьяны. В 1975 году заведующий кафедрой неврологии в университетской больнице штата Пенсильвания Мартин Ривич предложил Соколоффу подготовить такой эксперимент на человеке. «Да как же вы станете рубить головы пациентам?» — спросил Соколофф, — «разве что после того, как они оплатили ваши счета, и им больше нечего терять!»

Оказалось, в 1973-м у на кафедре ядерной медицины в той же больнице сделали томограф со счётчиком, способным вращаться вокруг головы пациента, снимая показания слой за слоем.

Эксперимент 16 августа планировали десятки учёных: изотоп фтора получали бомбардировкой атомов неона в циклотроне на острове Лонг-Айленд, а томографию выполняли в Филадельфии, за 270 километров от ускорителя. Это час на самолёте. Время полураспада изотопа фтор-18 составляет 110 минут, причём два часа было нужно, чтобы ввести его в молекулу дезоксиглюкозы. Это значило, что ко времени начала исследования от полученного в ускорителе фтора останется в лучшем случае четверть, и времени переделать опыт не будет.

Счёт шёл на минуты. К счастью, 16 августа 1976 года стояла чудесная ясная погода, перелёт прошёл по графику, и два добровольца превосходно перенесли процедуру. Снимки получились довольно низкого качества, а результаты выглядели весьма скромно: в пересчёте на 100 граммов зрительная кора потребляла 10,27 миллиграмма глюкозы, а белое вещество 3,8 миллиграмма. Но это была первая визуализация работы мозга живого человека!

Как онкологи забрали ПЭТ себе

Поскольку опыт вели неврологи, они первыми использовали позитронную эмиссию в клинике. При хирургическом лечении эпилепсии есть проблема поиска специфического очага, который вызывает судороги. В промежутках между приступами он потребляет глюкозы меньше нормы, поэтому обнаруживается при помощи ПЭТ, после чего можно провести его деструкцию.

Первые медицинские эксперименты с позитронно-эмиссионной томографией. Слева: лежащий в томографе доброволец получает инъекцию 18F-ФДГ. Справа вверху: первые снимки первой опухоли, выявленной Прантикой Сом с помощью ПЭТ, 1980. Справа внизу: первая полученная при помощи ПЭТ визуализация работы мозга при выполнении добровольцами разных команд, 1982.

Сообщением нейрохирургов заинтересовались онкологи, о которых Соколофф и не думал. Вспомнили эффект, открытый Отто Варбургом ещё в 1931 году: раковые клетки активно потребляют глюкозу, это их любимый источник энергии. Если все прочие методы позволяют просто увидеть опухоли, то теперь можно узнать о жизнеспособности раковых клеток: погибли они после курса химио- или радиотерапии или продолжают поглощать глюкозу.

Как только стало понятно широкое практическое применение, нашлись огромные деньги на совершенствование позитронно-эмиссионной томографии. За 10 лет изобрели способы удешевить производство изотопа и ускорить его введение в дезоксиглюкозу.

Шагнула вперёд и наука о клеточных мембранах. Мы узнали, на что нейроны тратят свою глюкозу. Оказалось, всего лишь на перемещение через мембрану ионов: натрий в одну сторону, калий в другую. Наши движения, мысли, чувства и воспоминания возникают от того, что нервные клетки качают ионы. А когда они перестают это делать, возникают паркинсонизм или болезнь Альцгеймера, наступает старение и сама смерть.

Что если, пока человек ещё остаётся собой, установить при помощи позитронно-эмиссионной томографии, сколько каждая клетка потратила глюкозы на какой-то произвольный момент? Сделать мгновенную фотографию работы мозга,  со всеми рефлексами, эмоциями, раздумьями; нанеся её на трехмерную карту расположения нейронов, получить цифровую копию сознания индивида. И таким образом обессмертить его личность, хотя бы в компьютерной памяти.

Эта идея неизменно вызывала у Соколоффа улыбку. Во всяком случае, при посторонних. 

Источники и дополнительная литература

Интервью Луиса Соколоффа:

— Для Американской ассоциации нейрохирургов, видео

— Для программы устной истории NIH, расшифровка. 3 марта 2005

— Для программы «История нейронауки в автобиографиях», видео. 2012

Архив Соколоффа

— Мартин Вейл. Некролог Луиса Соколоффа в газете «Вашингтон Пост», 3 августа 2015

— Джоан Фоулер. Презентация для речи к 40-летию первого испытания ПЭТ на человеке. Август 2016