Исследователи «увидели» шизофрению с помощью рентгена

Ученые из США и Японии заглянули еще глубже в структуру нейронов мозга больных шизофренией с помощью рентгеновского излучения. Они обнаружили, что нейроны при болезни и в передней поясной коре, и в верхней височной извилине гораздо тоньше, чем нейроны тех же областей у здоровых людей. А, во вторых, дендриты гораздо больше искривлены, что, вероятно, влияет на эффективность «строительства» новых нейронных связей, ухудшая коммуникации между нейронами. Об этом исследователи рассказали в журнале Translational Psychiatry. 

Геометрический анализ нейронов в нанометровом размере. Credit: Ryuta Mizutani et al. / Translational Psychiatry 2021

Шизофрения – это психическое заболевание, от которого страдают миллионы людей. Оно создает разрыв между мыслями, чувствами и поведением. Среди симптомов выделяются галлюцинации, бредовое расстройство, сложности при мыслительном процессе и отсутствие мотивации. У пациентов с шизофренией выше риск суицида и больше вероятность развития других проблем со здоровьем. Также у них ниже ожидаемая продолжительность жизни. 

Против шизофрении пока не существует лекарства. Ключ к его нахождению – понимание того, как болезнь в принципе возникает. Для этого необходимо изучать ткани головного мозга, а точнее – сравнивать структуры мозга больных шизофренией людей со структурами здоровых людей. 

Международная группа исследователей из нескольких институтов собрали восемь образцов тканей головного мозга, собранных посмертно от четырех здоровых человек и четырех больных шизофренией. Их доставили в Аргоннскую национальную лабораторию для того, чтобы исследовать их под источником синхротронного излучения APS 32-ID. 

В APS команда использовала мощные рентгеновские лучи и оптику с высоким разрешение, чтобы получить 3D изображение тканей головного мозга. Разрешение рентгеновской оптики, использованной в APS, доходило до 10 нанометров. Это в 800 раз меньше, чем диаметр среднестатистического эритроцита (красной клетки крови).

Сделать «фото» нервной ткани с таким высоким разрешением крайне сложно, так как нейроны могут достигать сантиметров длиной (за счет длины аксона). Поле зрения рентгеновского микроскопа составляет примерно 50 микрометров (ширина человеческого волоса). И снимать нейроны необходимо на расстоянии нескольких миллиметров.

Исследователи сконцентрировались на верхней височной извилине и передней поясной коре, поскольку, по ранее полученным данным, нейронные сети, находящиеся там, наиболее часто подвергаются при шизофрении патологическим изменениям. Кроме того, нарушения нейронных связей в этих областях ведут к когнитивной дисфункции и ассоциируются с психическими расстройствами.

Результаты анализа и сравнение структуры нейронов верхней височной извилины таковой в передней поясной извилине показали, что, во-первых, нейронные структуры действительно значительно различаются между областями мозга. А, во-вторых, различия варьируются от случая к случаю. Структурное разнообразие в основном наблюдалось с точки зрения кривизны дендритов (коротких отростков нейронов), которая обратно пропорциональна диаметру дендритов и дендритных шипиков (которые нужны для образования синапсов). 

Анализ также выявил геометрические различия между нейронами у больных шизофренией и здоровых людей. В случаях шизофрении нейронная сеть вообще в целом была тонкой и извилистой по сравнению с контрольной группой. Это позволяет предположить, что структура нейрона связана с заболеванием. Исследователи считают, что зависимость структуры нервной клетки от площади, а также разнообразие нейрональных структур у разных людей и будут отражать индивидуальность функций мозга.

«Потребуются дальнейшие исследования, чтобы понять, как изменения в структуре нейронов связаны с началом болезни и как разработать лечение, которое облегчит шизофрению. Так как рентгеновские технологии продолжают улучшаться — у APS, например, планируют повысить яркость в 500 раз — расширятся и возможности специалистов по нейронаукам», — отмечают авторы. 

Усовершенствование APS позволит еще сильнее увеличить разрешение изображения и сделать процесс отображения нейронов головного мозга более точным. Поскольку чтобы увидеть синапсы – связи между нервными клетками – исследователям нужно разрешение меньше, чем 10 нанометров. Ученые говорят, что с улучшением технологии это станет возможным. 

Текст: Мария Глушанина

Structural diverseness of neurons between brain areas and between cases by Ryuta Mizutani et al. in Translational Psychiatry. Published January 2021. https://doi.org/10.1038/s41398-020-01173-x