Помещение для института мы нашли во Фримонте, тихом районе Сиэтла, примыкающем к судоходному каналу. Там хватило места, чтобы разместить под одной крышей все наши отделы: технологический, молекулярной биологии, анатомии, программного обеспечения, баз данных. Присматривать за моим детищем вновь предстояло моей сестре – в качестве президента и председателя совета директоров. В консультационный совет вошли ведущие ученые, включая нескольких авторитетных участников памятного «мозгового штурма».
Главной сложностью при создании атласа был невероятный объем информации, которую предстояло собрать и обработать. Если данные по геному человека состояли из буквенных комбинаций, то наши представляли собой снимки высокого разрешения, требующие гораздо большего объема памяти. Первоначальный атлас мышиного мозга включал 85 миллионов снимков на 250 000 слайдах – это 600 терабайт данных (600 000 гигабайт, или 600 триллионов байт). Больше половины всего объема Интернета на момент начала работы.
Почти с самого начала мы столкнулись с неожиданной дилеммой. Брать ли плату за пользование нашей базой данных? С одной стороны, абонентская плата и отчисления за коммерческую работу помогли бы расширить производство. С другой стороны, успех института должен был оцениваться по открытиям, сделанным на его основе наших данных. Чем шире будет доступ к атласу, тем больше шансы на научный прорыв. Абонентская плата сузит круг пользователей до ведущих университетов и крупных фармацевтических компаний, отрезая доступ ученым из Йоханнесбурга или Сеула, не располагающим такими средствами. Поэтому мы решили сделать базу общественным достоянием, обеспечив свободный интернет-доступ и снабдив сайт удобным интерфейсом. И никакой регистрации.
Мозг, попадающий на посмертное исследование, сильно отличается у разных людей. Доноры разнятся по возрасту, наследственности, биографическим данным – все это влияет на форму и функции мозга. И поэтому, как и бесчисленные наши предшественники, занимающиеся человеческим организмом, мы начали с идеального лабораторного млекопитающего – с мыши. Мозг мыши размером не больше миндального зерна и весит примерно как ложка сахара. Однако он представляет собой потрясающее поле для картирования. Формой и содержанием он сходен с человеческим, и 90 % мышиных генов имеют человеческие аналоги. Уже через восемь недель с помощью близкородственного скрещивания мы получим почти идентичные образцы мозга мышей одинакового восьминедельного возраста.
Мы применили передовую технологию гибридизации, разработанную в немецком институте Планка и опробованную позже в Медицинском колледже Бейлора. Мышиный мозг нарезается сверху вниз на сотни сегментов и помещается в раствор РНК для проведения пробы на конкретный активный ген – по одному гену на сегмент, пять-шесть генов на мозг. Таким образом выявляются все нейроны, в которых экспрессируется этот ген.
Гигантский масштаб работы по созданию атласа всех генов требовал тщательно организованной оперативной оцифровки сотен тысяч снимков. По примеру бейлоровской лаборатории мы выстроили роботов в конвейерную линию и прокрашивали препараты круглосуточно (доходило до 4000 в неделю), фотографируя срезы под микроскопом и перекачивая снимки в базу данных.
Через год работы я назначил руководителем проекта Алана Джонса, который курировал сотрудничество с Бейлором и набирал большую часть наших сотрудников. Должность ответственнейшая, но Джонс быстро оправдал надежды. В декабре 2004 года мы выпустили первую часть алленовского «Атласа мозга» – визуальные данные по без малого 2000 генов. Дэвид Андерсон, член консультационного совета, выступивший с идеей создания атласа, подсчитал, что за год и два месяца нам удалось провернуть объем работы, над которым ученый-одиночка корпел бы 77 лет.
База данных никуда не годится без интерактивной поисковой системы. Если человек не может найти и скачать то, что ищет, база подобна огромной библиотеке без каталога. Структурируя атлас мышиного мозга, мы создали программу, отвечающую и на вопрос «что», и на вопрос «где». Предположим, вы ищете ген, повышающий чувствительность к болеутоляющим средствам типа морфия, и хотите знать, где он экспрессирован. Сперва вам будут предложены двумерные снимки высокого разрешения, где этот ген показан на клеточном уровне. Затем специальное приложение, 3D Brain Explorer, продемонстрирует, как этот ген представлен в «общем» мозге всех мышей, принимавших участие в исследовании. Или, например, можно ввести в поисковик слово «миндалина» (область мозга, отвечающая за страх и тревожные предчувствия) и посмотреть, какие помеченные разными цветами гены активны в данном участке. И в том и в другом случае вы получаете беспрецедентный доступ к данным об экспрессии генов на клеточном уровне.
Сперва нейробиологи отнеслись к нашему проекту скептически. Институт Аллена был новичком, за которым стоял технарь, никак не зарекомендовавший себя в их области. Наш промышленный подход выбивался за привычные рамки, и, кроме того, прошло некоторое время, прежде чем люди убедились – данные действительно находятся в свободном доступе, никакого подвоха.
Менее чем через два года работы, в сентябре 2006-го, точно в намеченный срок, атлас мышиного мозга был выпущен в полном объеме. Скомпоновав первую базу данных, мы обнародовали следующие выводы.
Генетическая активность в мозге куда выше, чем мы думали. Ранее считалось, что в мозге экспрессируется примерно две трети генома. Как видно из «Атласа Аллена», соотношение это ближе к 80 % – что объясняет, например, откуда возникает побочный эффект у лекарств, предназначенных для других органов.
Гены экспрессируются в конкретных участках. Большинство из них включается в совершенно определенных подгруппах клеток или долях мозга. Это открытие позволило проследить, как варьируются биохимические процессы в различных секторах мозга и как это связано с индивидуальными функциями этих секторов. Разобравшись в этих вариациях, ученые смогут более точно регулировать биохимическую активность в пораженных участках мозга.
Предыдущие карты мозга грешили неаккуратностью или неполнотой даже на общеанатомическом уровне. Нанося рисунок экспрессии генов, наши специалисты выявили прежде не отмеченные структурные подразделения. Эти находки позволили уточнить представления о структуре мозга, что поможет усовершенствовать диагностику и терапию.
Объявив о завершении работы над атласом мышиного мозга в Вашингтоне, я встретился с Фрэнсисом Коллинзом, бывшим руководителем проекта «Геном человека», а ныне главой Национальных институтов здравоохранения. Поначалу в этой организации к нам относились прохладно – возможно, видя в нас конкурентов. Однако в тот день Коллинз поздравлял меня горячо и искренне, и связи между нашими институтами стали налаживаться. (В 2009 году Институт Аллена получил с помощью НИЗ грант в рамках проводимой президентом Обамой программы стимуляции экономики.)
Наш проект постепенно завоевывал доверие. Судзуми Тонегава, нобелевский лауреат и руководитель Пиковеровского института проблем обучения и памяти при Массачусетском технологическом, назвал атлас мышиного мозга прорывом в нейробиологии. «Это новый, невероятно эффективный подход к исследованию мозга. Я бы назвал его революционным». Журнал Time посоветовал обращаться к нашему атласу «всем, кто занимается проблемами мозга – от рассеянного склероза до опухолей». В 2007 году, после публикации в журнале Nature статьи Алана Джонса, посвященной атласу, количество посещений на сайте побило все рекорды и сейчас насчитывает до тысячи заходов в день.
Бывая в научных учреждениях, я с радостью слушаю отзывы о том, как наш атлас помогает в работе. «Мы пользуемся им каждый день, – заявил стэнфордский профессор неврологии агентству Associated Press, когда после незначительного сбоя на сайте к нему в кабинет повалили встревоженные аспиранты. – Уже не представляем, как мы раньше без него обходились». Как и расшифровка генома, атлас мозга избавляет аспирантов и постдокторантов от нудной подготовительной работы, которая, бывает, тянется годами. Теперь исследователь может взять за отправную точку рисунок экспрессии интересующего его гена из нашей базы. Это примерно как вручить старателю карту местности, где обозначены алмазные россыпи. Тогда он сможет сосредоточить все усилия на добыче, зная, что она там точно есть.
