В течение последнего месяца в лидирующих журналах по нейронаукам – Neuron и Nature Neuroscience – вышли публикации, посвящённые самым разным аспектам работы нервной системы. Исследовали биологическую природу арифметических операций, выявили механизм того, как определяется направление движения, описали роль антител к глутаматным рецепторам в когнитивных нарушениях, определили виновников воспалительных заболеваний мозга и предложили новый подход к изучению клеточного состава мозга.
Credit: public domain
Вы никогда не задумывались, как наш мозг обрабатывает числа? Ученые, конечно, задумывались, но только сейчас удалось получить примерное представление о молекулярных основах этого процесса.
Исследователи давали пациентам нейрохирургического отделения, которым по клиническим показаниям вживляли в мозг электроды, упражнения на счет и при этом регистрировали активность отдельных нейронов в медиальной части височной доли коры головного мозга. Оказалось, что символические числа (то есть абстрактные величины, которые можно представить в виде цифр, например, просто 20) и несимволические числа (то есть числа, представление о которых можно получить непосредственно по количеству каких-то предметов, например, 20 ламп) обрабатываются по-разному: за работу с символическими и несимволическими числами отвечают разные группы нейронов, причем не существует нейронов, которые работали бы одновременно с числами обоих видов.
Этим фактом можно объяснить то, почему символические и несимволические числа мы воспринимаем по-разному: несимволические связаны преимущественно с поведением, а в собственно числовых операциях задействованы только символические числа.
Kutter, E. F., Bostroem, J., Elger, C. E., Mormann, F., & Nieder, A. (2018). Single Neurons in the Human Brain Encode Numbers. Neuron. doi:10.1016/j.neuron.2018.08.036
В сетчатке имеются особые ганглионарные клетки, которые посылают в мозг информацию о наличии и направлении движения. Чтобы адекватно воспринимать информацию о движущихся объектах, эти клетки должны каким-то образом подстраиваться под освещение.
Дело в том, что на свету и в темноте отношение сигнала к шуму разное, поэтому сам сигнал требует разной обработки. Оказалось, что некоторые ганглионарные клетки связаны между собой щелевыми контактами, которые обеспечивают электрическое сопряжение соседних клеток. Кроме того, в условиях света и темноты клетки по-разному реагируют на ГАМК (гамма-аминомасляную кислоту), которая в разной степени их подавляет.
Yao, X., Cafaro, J., McLaughlin, A. J., Postma, F. R., Paul, D. L., Awatramani, G., & Field, G. D. (2018). Gap Junctions Contribute to Differential Light Adaptation across Direction-Selective Retinal Ganglion Cells. Neuron. doi:10.1016/j.neuron.2018.08.021
Главному возбуждающему нейромедиатору ЦНС – глутамату – соответствует несколько видов рецепторов. Один из них – AMPA-рецепторы, причем, у некоторых пациентов, страдающих от аутоиммунного энцефалита и нарушений в работе гиппокампа, в крови присутствуют антитела к этим рецепторам.
Недавно нейробиологи показали, что они взаимодействуют с одной из субъединиц AMPA-рецепторов – GluA2. Взаимодействие с аутоантителами приводит к интернализации рецепторов, то есть они уходят с внешней мембраны нейрона внутрь него. Вместо них в мембрану встраиваются рецепторы, не имеющие субъединицы GluA2. Впрочем, похоже, этот компенсаторный механизм не спасает положение, потому что инъекция человеческих аутоантител к GluA2 здоровым мышам приводит к нарушению обучения и памяти.
Haselmann, H., Mannara, F., Werner, C., Planagumà, J., Miguez-Cabello, F., Schmidl, L., … Geis, C. (2018). Human Autoantibodies against the AMPA Receptor Subunit GluA2 Induce Receptor Reorganization and Memory Dysfunction. Neuron. doi:10.1016/j.neuron.2018.07.048
При воспалительных заболеваниях нервной ткани, например, рассеянном склерозе, в мозг проникают Т-лимфоциты, заточенные на борьбу против собственных клеток организма (такие клетки называют аутореактивными). Однако долгое время оставалось непонятным, как же все-таки Т-лимфоциты проникают в мозг.
Схема расположения венозных синусов (красные) и лимфатических протоков (зеленые), а также микрофотография с разными красителями в них через час после инъекции. Credit: Kipnis, J. et al. / Neuron 2018
Недавно исследователи выяснили, что их главные «сообщники» – ничем не примечательные клетки эндотелия, который выстилает лимфатические сосуды мозговых оболочек. Эндотелиальные клетки этих лимфатических сосудов имеют хорошо выраженный специфический транскрипционный профиль и, как оказалось, при воспалении не начинают активно делиться. Таким образом, для борьбы с воспалительными заболеваниями мозга следует особое внимание обратить именно на эти клетки.
Louveau, A., Herz, J., Alme, M. N., Salvador, A. F., Dong, M. Q., Viar, K. E., … Kipnis, J. (2018). CNS lymphatic drainage and neuroinflammation are regulated by meningeal lymphatic vasculature. Nature Neuroscience. doi:10.1038/s41593-018-0227-9
Принято считать, что для изучения клеток какого-либо типа необходимо сначала выделить их из ткани, в состав которой они входят. Например, чтобы понять, чем на клеточном уровне различается мозг пациента с болезнью Альцгеймера и нормального человека, при стандартном подходе нужно из образцов нервной ткани обоих пациентов выделить популяции клеток разных типов, а потом сравнить их качественно и количественно.
Оказывается, биоинформатика позволяет избежать этой трудоемкой и долгой работы. Недавно опубликована статья, авторы которой смогли восстановить транскрипционные профили главных типов клеток мозга человека, сравнивая транскриптомы (совокупности всех РНК, полученных после транскрипции всех генов той или иной клетки) цельных образцов нервной ткани.
Схема эксперимента. Задействованы 62 области мозга и получен 7221 образец клеток из них. Credit: Kipnis, J. et al. / Nature Neuroscience 2018
Рассматривая транскриптом нервной ткани как функцию от транскриптомов входящих в нее клеток, исследователи смогли выделить ключевые отличия между нервными клетками разных типов у здорового человека и страдающего от болезни Альцгеймера. Авторы полагают, что предложенный ими подход может быть полезен и при исследовании других клеточных ансамблей.
Kelley, K. W., Nakao-Inoue, H., Molofsky, A. V., & Oldham, M. C. (2018). Variation among intact tissue samples reveals the core transcriptional features of human CNS cell classes. Nature Neuroscience. doi:10.1038/s41593-018-0216-z
Обозреватель: Елизавета Минина
