Менингеальные лимфатические сосуды мыши (зеленый), кровеносные сосуды (синий) и бета-амилоид (красный). Credit: Da Mesquita et al. Meningeal lymphatics modify Alzheimer’s disease and immunotherapy. Nature, 2021
Начало года стало сложной порой для всех авторов нашего портала, но это не помешало нам составить ежегодный топ самых прорывных исследований в нейронауках, о которых рассказывали научные журналы в 2021 году. Традиционно он разделен на две части: что мы узнали и чему научились. Первая часть посвящена наиболее интересным открытиям и новым взглядам на то, что уже, казалось бы, давно известно. В прошлом году мы наблюдали всплеск работ, посвященных глиальным клеткам, нейрофизиологии памяти, а также геномным и протеомным исследованиям нейронов.
Смена парадигмы
Исследователи уже десятки лет знаю о существовании второго типа клеток головного мозга – клеток глии, но до сих пор ни в одном серьезном проекте по моделированию участков мозга различных животных и человека нейрон-глиальные взаимодействия не учитываются. Хотя получено множество доказательств, что глия (олигодендроглия, астроглия) напрямую влияет на работу синапсов, количество выделяющегося нейромедитатора, время, которое нейромедиатор находится в синаптической щели, и множество других параметров, которые в итоге способны очень сильно модифицировать электрический сигнал.
Активная среда мозга – вот как авторы назвали свою концепцию, в которую они объединили все то, что сейчас известно о связи нейронов и глии. В нее вошли такие понятия как многочастный синапс, нейроваскулярный комплекс, синаптическая и внесинаптическая сигнализация и объемная передача, используемые для описания функциональной организации мозга. Мировое сообщество уже активно обсуждает эту концепцию, и мы посмотрим, какая реакция последует за обсуждениями.
Микроглия на первой полосе
Продолжая тему глии: десятки работ в этом году пролили свет на функционирование одного из типов глиальных клеток, который некоторые смело называют «иммунной системой» мозга – микроглии. Например, узнали, что травмировании тканей головного мозга в результате ЧМТ или инсульта микроглия скапливается в местах повреждения сосудов и закрывает их собой. А затем вместе с иммунными клетками из крови – моноцитами и нейтрофилами – работает над восстановлением их целостности.
Более того, микроглия влияет и на здоровые сосуды. Как выяснилось, она способна модифицироваться в особый тип – капилляр-ассоциированную микроглию (CAM) – и регулировать тонус капилляров, увеличивая или уменьшая их диаметр. Истощение микроглии и рецепторов, с помощью которых она может взаимодействовать с капиллярами, приводит к ухудшению взаимодействий микроглии с сосудами, увеличению диаметра капилляров, усилению церебрального кровотока, а также к нарушению ответа на углекислый газ.
Также микроглия помогает нейронам восстанавливать свою целостность после разного рода повреждений, в том числе из-за эпилептических приступов. Казалось бы, она должна уничтожать ослабленные и дефектные нейроны, но вместо этого исследователи обнаружили ее «целительные» свойства: она формировала «мешочки» вокруг поврежденных дендритов (коротких отростков), и эти дендриты быстрее восстанавливались, чем те, вокруг которых такие мешочки не образовывались.
Атласы мозга с геномным погружением
Картирование нейронов головного мозга позволяет нам лучше разобраться с его строением и функциями различных отделов. Чем более четкое представление исследователи имеют о том, где расположены разные подтипы нервных клеток, тем более точные исследования, которые бы проясняли их работу, можно провести. Тенденция этого года – создание атласов регуляторных элементов генов, а также атласов нейронных транскриптомов и эпигеномов.
Китайские исследователи пошли еще дальше и решили проследить, как меняются популяции клеток определенной области мозга с возрастом. По понятным причинам для исследования они выбрали гиппокамп и составили атлас клеток стареющего гиппокампа. Созданный исследователями «ландшафт» состоял из профилей экспрессии генов 12 основных типов клеток гиппокампа, включая нервные стволовые клетки, промежуточные клетки-предшественники, незрелые нейроны, возбуждающие/тормозящие нейроны, олигодендроциты и микроглию. Возможно, этот атлас поможет понять, почему с возрастом снижаются когнитивные функции и почему у некоторых это происходит сильнее.
М и Ж: спор вечен как мир
Но исследователи, кажется, готовы положить ему конец. В 2021 году вышел один из самых крупных обзоров, в котором авторы объединили пул исследований, посвященных анатомическим и функциональным отличиям мозга мужчин от мозга женщин, за последние пару десятков лет. К чему они пришли? Дословно: «выбросите половой диморфизм на помойку».
Еще одно исследование посвящено тому, как мозг выбирает, какую копию гена – материнскую или отцовскую – активировать в первую очередь. Эта находка идет вразрез с устоявшимся в науке мнением, что каждая копия – одна от матери и одна от отца – читаются подобно друг другу. Среди генов, регулирующихся таким необычным способом, есть и те, которые находятся в зоне риска для психических заболеваний. Что такой генетический дисбаланс может означать для нашего здоровья, еще только предстоит выяснить, но предварительные результаты свидетельствуют о том, что он может формировать уязвимость к патологическим состояниям психики.
Новые нейроны в сетчатке
Каждый раз наша редакция радуется подобным новостям. Подумать только – нервная система плотно изучается на клеточном уровне уже больше сотни лет, но ученые все продолжают находить новые типы нервных клеток. «Новички» были названы клетками-колоколами (Campana cells) за свою форму. Причем, это не простые нейроны – они обладают временной памятью об импульсе и сочетают в себе свойства биполярных и амакриновых нейронов.
Клетки-колокола передают визуальные сигналы от фоторецепторов к ганглионарным клеткам сетчатки, но сильно отличаются от биполярных клеток морфологическими, физиологическими и молекулярными особенностями. При синаптической передаче они используют несколько нейромедиаторов и остаются активированными очень долгое время (до 30 секунд) даже в ответ на кратковременную стимуляцию. Какова их основная функция? Пока этого никто не знает.
Программа самосохранения для нейрона
Поддержание информационной молекулы клетки в целостном состоянии – главный аспект ее выживания и нормальной работы. Но если о системах репарации ДНК в других клетках ученые знают достаточно хорошо, то нейроны в этом плане – «бедные родственники». Однако добрались и до них. Метод Repair-seq, параллельно разработанный двумя независимыми научными группами, позволил обнаружить «горячие точки» в ДНК нейронов – те места, где репарация во всех клетках идет наиболее активно.
Более 67% этих горячих точек приходились именно на гены, наиболее активные в нейронах. Причем, что любопытно, большинство этих генов оказалось связано с нейродегенеративными заболеваниями (в том числе болезнью Альцгеймера) и с «созреванием» молекул РНК до готовности стать основой белка – сплайсингом. А где чаще «ломается», там чаще «требуется ремонт», и соответственно, выше риск, что этот ремонт не увенчается успехом.
Навигация: пространственная и обонятельная
Оказывается, система GPS в мозге, за которую в 2014 году дали «Нобеля», работает несколько более сложно. Клетки места не просто определяют точку нашего нахождения в пространстве – они прописывают и траекторию движения. Соответственно, по их активности можно предсказать, где хозяин мозга окажется в следующий момент времени. Только пока непонятно, это актуально только для быстро движущихся животных типа летучих мышей, или вообще для всех.
Отличным дополнением к этой новости стало и исследование, доказывающее существование карты запахов в нашей голове (точнее, голове крыс). Причем, складывается эта карта из совместной работы внутримозговой системы GPS (гиппокамп и энторинальная кора) и обонятельной коры мозга. Грушевидные нейроны обонятельной коры, подобно клеткам гиппокампа, способны активизироваться в определенном месте – там, где аромат сочетается с важным стимулом (например, вкусной едой).
Свежие главы о работе памяти
Новая теория памяти появилась в конце февраля прошлого года и сразу удостоилась пристального внимания научной общественности. Эта теория смогла объяснить, в какой форме находятся воспоминания в мозге, почему порой они исчезают, почему мы способны вспоминать за считанные секунды и где физически находится память. Она достаточно сложна и, по некоторым замечаниям критиков, представляет собой своеобразную «теорию всего», объединяя целый пласт работ в области молекулярной биологии памяти множества исследователей. Станет ли она основной или уйдет в историю? Научные дискуссии покажут.
Исследование людей с вживленными в мозг электродами позволило совершить рывок в понимании того, какие волны активности сопровождают запись воспоминаний. При участии 300 человек стало известно, что височная и префронтальная кора в процессе запоминания «связываются» друг с другом с помощью низкочастотных тета-ритмов. Эта работа стала частью проекта «Восстановление активной памяти» (RAM), который ведет Агентство перспективных исследований в области обороны (DARPA) в США.
Параллельно японские исследователи занимаются методами стирания памяти (и изучения ее таким образом), применяя для этого разработанную технологию CALI – хромофорную инактивацию светом. В основе этого метода лежит интенсивное освещение конкретных молекул, из-за чего те начинают выделять избыточное количество короткоживущих активных форм кислорода, «отключающих» близлежащие белковые комплексы, что может нарушать процесс записи воспоминания. С помощью технологии ученые убедились в том, что нейрон после «стирания памяти» способен записывать дальнейшие события, что можно стирать память выборочно и что CALI эффективен лишь в первые часы после события. А дальше воспоминание переходит на качественно иной уровень.
Мозжечок и алкоголь
Ну и напоследок мы не могли обделить вниманием потрясающее исследование, которое дает ответ на всегда злободневный вопрос: почему алкоголь так быстро «отключает» ноги и вообще моторику? Выяснилась поразительная вещь: окисление этанола до его метаболитов, которые и вызывают алкогольную интоксикацию, происходит не только в печени, как мы все привыкли думать, но и прямо в мозге, точнее, в мозжечке – главном центре координации движений.
Спирт активно всасывается в кровь в желудке (а натощак еще сильнее) и поступает в кровь, откуда уходит в печень и прочие органы, в том числе и в мозг. Но в мозге он тоже способен распадаться на метаболиты, и за счет наличия особых рецепторов в астроцитах мозжечка – воздействовать на нейроны, затормаживая их. Так что, скорее всего, основные столь неприятные эффекты алкоголя происходят за счет его локального метаболизма прямо в клетках мозжечка, что называется, «не отходя от кассы».
Подготовила Анна Хоружая
