Отрастить часть мозга к лету и избавиться от нее зимой? Возможно!

Увы, человек не может похвастаться активным приростом новых нервных клеток в своем мозге – у нас в наличии лишь три мозговых зоны, которые на это способны, и то весьма ограниченно. Но есть некоторые животные, которые отличаются необычными способностями к нейрогенезу, то есть – к увеличению числа новых нейронов. Ученые из Берлинского университета имени Гумбольдта и Института перспективных технологий в Шэньчжэне год изучали именно такое удивительное животное – карликовую многозубку – и на страницах журнала PNAS рассказали о ее удивительных особенностях к изменению мозговой архитектуры.

Карликовая многозубка. Credit:public domain

Зима – такое время года, когда невозможно поддерживать гомеостаз без некоторых приспособлений. Для этого мы кутается в теплые вещи и греемся горячими напитками, то есть адаптируемся вполне «человеческими» способами. Другие живые организмы переживают этот период по-своему. Существуют три основных пути, по которым далее строятся различные индивидуальные механизмы приспособления к внешним условиям: активный, пассивный и избегание неблагоприятных условий.

Уже из названия «активный» можно догадаться, что этот путь направлен на усиление сопротивляемости организма, для чего активируются его резервные силы. Примером активного механизма приспособление может стать, например, смена оперения/шерсти на более густой покров, к тому же более подходящий по цвету для эффективной маскировки (белая шерсть делает зайца незаметнее на фоне снега).

Пассивный же механизм представляет собой «смирение» с неблагоприятным фактором. Формируется некоторая устойчивость к стрессору, постепенно повышается толерантность (лат. tolerantia — терпимость) к нему. Эффект Денеля – долгосрочное сезонное явление, при котором объем тела, включая внутренние органы и (даже мозг), уменьшается, чтобы скорректировать дефицит энергии зимой. Этот эффект встречается у мелких млекопитающих семейства землеройковых (Soricidae) рода белозубки (Suncus), и именно при участии представителя этого рода вышло недавнее иссследование.

На примере Suncus etruscus, или белозубки этрусской, или карликовой многозубки исследователи Берлинского университета имени Гумбольдта и Института перспективных технологий в Шэньчжэне в течение года наблюдали за изменениями мозга зверьков с помощью различных методов магнитно-резонансной томографии. Ониизучали, как меняется архитектура соматосенсорной коры и ее активность в зависимости от сезона.

Вначале хотелось бы рассказать о животном, выбранном для исследования, потому что оно имеет свои особенности. Suncus etruscus (карликовая многозубка) – это очень маленькое животное, ведущее преимущественно ночной образ жизни. Длина его тела составляет от 3 до 4,5 см, масса же не превышает 2,4 г (вспоминаем о том, что маленькие животные имеют быстрый метаболизм и малый запас энергии). Питается оно в основном насекомыми и личинками дождевых червей, мелкими позвоночными, причем количество еды, необходимое для многозубки, превышает ее собственную массу в 1,5-2 раза.

Интерес вызывает то, что во время зимнего периода у многозубки достаточно существенно снижается количество и активность нейронов в мозге, конкретно в соматосенсорной коре. Стоит отметить, что этот грызун – тактильный охотник, ему помогают вибриссы, которые обычно очень чувствительны. С наступлением зимы объемы добычи становятся существенно меньше, и содержание такой сложной и энергозатратной структуры мозга, как соматосенсорная кора, обходится мелкому зверьку слишком дорого. Поэтому к зиме эта часть мозга начинает уменьшаться за счет сокращения численности нейронов.

В исследование включили 100 этрусских белозубок обоих полов и разместили их в террариуме, содержащем слои густой почвы, мох, кусочки деревьев. Диета состояла из живой пищи, сверчков и дождевых червей. При эксперименте с ограничением диеты (воссоздание неблагоприятных условий) кормление ограничивалось 6-8 сверчками в день.

Год был разделен на четыре сезона в зависимости от календарной даты, соответственно сезонам менялись и условия (температура, диета), поддерживался постоянный световой цикл с 12 часами светлой и темной фазы. Для регистрации активности нейронов в соматосенсорной коре стимулировали вибриссы многозубок. Также проводилось МР-сканирование мозга многозубок в разные сезоны, которое показало, что мозг начинает уменьшаться с конца лета.

Наибольшие изменения происходили в четвертом слое соматосенсорной коры. В нем удалось зарегистрировать наивысшую метаболическую активность. В этой области наибольшую активность проявляли парвальбумин-позитивные интернейроны, поэтому при сокращении их количества закономерно снижалась чувствительность к прикосновениям. Однако, нейроны и сами могут менять экспрессию (активность) гена парвальбумина, поэтому точный механизм требует дальнейшего исследования, для выявления более конкретных причинно-следственных связей.

От лета к зиме 4-й слой соматосенсорной коры терял около 27,9 процентов нейронов. А затем к следующему лету снова увеличивался на 27,8 процентов. Исследование также показало, что даже при содержании в постоянных температуре, световом цикле и условиях питания объем мозга животных все равно подвергается изменениям в периоды, соответствующие осени и зиме.

Изменение объема соматосенсорной коры в зависимости от сезона. На части В показано наложение летних результатов томографии на зимние одного животного, видна ощутимая разница. Credit: Ray, S. et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences 2020

Также исследователи выявили, что соматосенсорная кора может изменяться «преждевременно» при уменьшении пищи. То есть, вероятно, основным регулирующим фактором этих метаморфоз становится именно пищевой компонент.

Изменение объема соматосенсорной коры в зависимости от количества пищи. Credit: Ray, S. et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences 2020

Несмотря на то чтонайти доказательства сезонной пластичности в остальных областях мозга (обонятельной луковице, гиппокампе, мозжечке, подкорковых областях) не удалось, подобная способность к нейрогенезу в самотосенсорной коре как минимум удивляет. Теперь исследователи стремятся установить конкретные механизмы таких выраженных изменений мозговой архитектуры. Возможно, это поможет в дальнейшем найти пути стимуляции нейрогенеза в мозге при его повреждениях.

Текст: Екатерина Полищук

Seasonal plasticity in the adult somatosensory cortex by Ray, S., Naumann, R. K. et al. in Proceedings of the National Academy of Sciences. Published November 2020.

https://doi.org/10.1073/pnas.1922888117