Ученые из Института биоорганической химии РАН исследовали роль нейроглии в улучшении когнитивных способностей при диете с ограничением калорий у мышей. Выяснилось, что при таком рационе астроциты начинают лучше охватывать синапс, из-за чего уменьшается диффузия глутамата из синаптической щели. О механизмах этого явления исследователи рассказали в журнале Cell Death & Disease.
Рис. 1. Флуоресцентные изображения астроцита, в который через патч-пипетку введен краситель, диффундирующий по астроцитарной сети. Связанные щелевыми контактами астроциты пронумерованы, Ctrl — контрольная группа, CR — диета с ограничением калорий.
Продолжительность жизни и когнитивные способности зависят от множества факторов, среди которых важное место занимает диета, образ жизни и физическая активность. В 1935 году исследователи из Корнелльского университета обнаружили, что ограничение калорий в рационе крыс увеличивает их продолжительность жизни, и с тех пор широко исследуется положительное влияние такой диеты на здоровье стареющих животных и людей. Известно, что низкокалорийное питание оказывает нейропротективное действие, замедляет возрастные изменения когнитивных функций и снижает частоту нейродегенеративных заболеваний. Ученые из Института биоорганической химии РАН из лабораторий Алексея Семьянова и Екатерины Люкмановой в сотрудничестве с Алексеем Верхратским из Манчестерского университета исследовали то, как ограничение потребления калорий в течение месяца влияет на астроциты у молодых трехмесячных мышей.
Астроциты обеспечивают гомеостаз мозга на всех уровнях организации. Длинные и разветвленные отростки астроцитов обволакивают синапсы, тем самым регулируя и его работу. Астроциты также принимают непосредственное участие в поддержании метаболизма нейронов и в регулировании баланса нейромедиаторов в синаптической щели.
Выяснилось, что у мышей, посаженных на диету, произошло изменение морфологии и функциональной активности астроцитов в гиппокампе. Причем количество крупных астроцитарных отростков осталось прежним, но увеличилась объемная доля дистальных астроцитарных листочков, находящихся вокруг синапса. Увеличение объема клетки означает увеличение поверхности мембраны и может приводить к снижению входного сопротивления, но у мышей, посаженных на диету сопротивление астроцитов не поменялось. По-видимому, это было скомпенсировано снижением экспрессии белков щелевых контактов (а именно коннексина 43), а значит, уменьшило связь астроцитов друг с другом (Рис. 1).
Рост тонких астроцитарных отростков происходит для лучшего обратного захвата глутамата из щели, но как побочный эффект это также уменьшает диффузию (спилловер) ионов калия и глутамата из синаптической щели. В результате этого активируется меньше внесинаптических глутаматных рецепторов. Внесинаптические глутаматные рецепторы служат своеобразным предохранителем синапса от чрезмерной активации, при которой глутамат не успевает поглощаться астроцитами (подробнее — здесь). И действительно, у мышей с низкокалорийной диетой увеличилась долговременная потенциация — усилилась синаптическая передача между нейронами гиппокампа после электрической стимуляции коллатерали Шаффера (аксональных путей из зоны CA3 в гиппокампа в зону СА1).
Рис. 2. Схема, показывающая влияние снижения калорийности рациона на синаптические микроокружение и пластичность. Астроциты начинают лучше окружать синапс, препятствуя спилловеру («перетеканию») глутамата из синаптической щели и активации внесинаптических рецепторов. В результате улучшается передача нервного импульса в гиппокампе.
Известно, что при эпилепсии, а также на ранних стадиях болезни Альцгеймера наблюдается атрофия астроцитов (подробнее тут и тут). Если ограничение потребления калорий увеличивает рост астроцитарных отростков, то это может противодействовать патологическим изменениям.
Текст: Настя Горшкова
Popov, A., Denisov, P., Bychkov, M., Brazhe, A., Lyukmanova, E., Shenkarev, Z., … & Semyanov, A. (2020). Caloric restriction triggers morphofunctional remodeling of astrocytes and enhances synaptic plasticity in the mouse hippocampus. Cell Death & Disease, 11(3), 1-17.
