Как преждевременные роды «бьют» по клеткам Пуркинье

Гипоксическое повреждение головного мозга плода, вызванное преждевременными родами, приводит к проблемам в моторном обучении детей. Эксперимент, смоделировавший эту ситуацию на животных моделях, проведенный в американском Национальном медицинском детском центре, показал, что именно происходит в мозге ребенка и как с этим можно бороться. Исследование опубликовано в журнале Nature Communication.

 

Клетки Пуркинье


Авторы работы предположили, что поскольку отвечающий за координацию движений и мышечную память мозжечок максимально растет у плода в последний триместр беременности, преждевременные роды и «гипоксический» инсульт могут на долгое время затормозить работу этого органа.

«Большинство из нас успешно координируют свои движения для навигации по трехмерным пространствам, с которыми мы сталкиваемся ежедневно, – говорит Витторио Галло (Vittorio Gallo), старший автор работы. – После того, как дети начинают ходить, они также должны научиться ориентироваться в окружающей среде и пространствах вокруг них».

Проверку своих идей авторы провели, разумеется, на животных — подвергать гипоксии новорожденных младенцев, а потом сверлить им череп и изучать работу нейронов никто не стал.

В экспериментах две группы мышат, нормальная и «гипоксическая», тренировались ходить по полностью автоматизированному «полигону» — своеобразной горизонтальной «лестнице», вмонтированной в прозрачное стекло, с поднимающимися и убирающимися препятствиями, которая имела какое-то сходство с «лабиринтом смерти» в фильмах про восточные единоборства.

Это устройство само показывало, сколько животному нужно времени на то, чтобы сделать очередное движение. Контрольная группа всегда гораздо быстрее выучивалась автоматически преодолевать препятствие, чем «гипоксическая». Вторые тоже могли к концу обучения преодолевать все препятствия, не задумываясь, но тратили на это гораздо больше времени.

Экспериментальная установка


Через две недели после гипоксии опорно-двигательная эффективность гипоксической группы оставалась значительно хуже, чем у контрольной, и задержки в обучении все еще могли наблюдаться даже через пять недель после гипоксии (напомним, что речь идет о мышах, и их недели – это совсем не то же самое, что недели у людей).

При помощи оптогенетических и электрофизиологических исследований отдельных клеток мозжечка in vivo авторы работы смогли показать, что гипоксия нарушает работу нейронов Пуркинье – больших ветвистых клеток коры мозжечка, которые замедляют частоту нервных импульсов (читайте отдельную статью о них в нашем цикле «Нейронауки для всех. Детали»).

Это помогло подобрать терапию – препарат триагабин, который поднимает уровень гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК), нейромедиатора клеток Пуркинье. Она работает возбуждающим нейромедиатором до и вскоре после рождения, но затем «переключается» на тормозящий эффект. Поэтому ГАМК нужно вводить сразу после гипоксии. Интересно, что триагабин, повышающий уровень ГАМК, во «взрослой» медицине используется как противоэпилептический препарат.

Тиагабин


«Теперь мы знаем, что восстановление уровня ГАМК в течение этого конкретного периода времени имеет благотворный эффект. Однако, наш подход не был специально нацелен на клетки Пуркинье. Пока что мы подняли уровень ГАМК по всему мозгу. С более селективной доставкой к клеткам  Пуркинье мы сможем повысить терапевтический эффект триагабина», – говорит Галло.


Текст: Алексей Паевский

Neonatal brain injury causes cerebellar learning deficits and Purkinje cell dysfunction by Aaron Sathyanesan, Srikanya Kundu, Joseph Abbah & Vittorio Gallo in Nature Communications volume 9, Article number: 3235 (2018)

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Нейронауки для всех. Выпуск первый: как появляется нервная система

Портал «Нейроновости» начинает большой цикл статей, которые будут рассказывать о строении мозга, о том, как работают нервные клетки и сам мозг и о том, как мы обо всём этом узнали.


Начнём мы с самых азов, с нейроэмбриологии. Давайте заглянем в наше далёкое-далёкое прошлое – в то время, когда каждый из нас был ещё яйцеклеткой с двойным ядром, образовавшимся сразу после слияния с ней сперматозоида. Наверняка вы видели прекрасные анимационные фильмы, созданные нашими зарубежными коллегами, которые демонстрируют весь процесс метаморфоз одной клетки в целый организм вплоть до его рождения. Но что в этот момент происходит с нервной системой? Как появляется наиболее сложный в организации орган со всеми путями и «нитями», что связывают его даже с самыми дальними уголкам тела? В этом мы сегодня с вами попытаемся разобраться.

А начинается всё с деления.

Дробь в квадрате

 

Деление оплодотворённой яйцеклетки называется дроблением. Это процесс, при котором растёт количество клеток, но их объём остаётся прежним, то есть с каждым следующим этапом они уплотняются и становятся мельче. Причём, это происходит достаточно быстро (одно деление в 12-20 часов), и уже к третьим суткам количество клеток в «комке» или так называемом концептусе может достигать 16. К этому моменту он уже «подплывает» к концу маточной трубы, в которой находился до этого (и где, собственно, произошло оплодотворение) и готов выйти в полость матки.

Интересно, что само дробление происходит неравномерно, и если под микроскопом посмотреть на концептус к концу второго дня, то вы увидите, что он похож на конгломерат из разного размера плотно спаянных шариков.

Внимание, дальше вас ждёт череда новых и необычных терминов, но не пугайтесь — мы всё будем пояснять.

Выход будущего эмбриона в полость матки ознаменовывает собой новый этап его развития – стадию морулы (ассоциация: для него полость – это «море»). Морула отличается от предшественника чуть большим количеством клеток, а также их организацией: внутри клетки связаны свободными щелевыми контактами, а снаружи формируют плотную оболочку – барьер, который обособляет внутреннюю среду. И делается это не случайно, ведь ещё через день (на 4-е сутки) в центре появляется заполненная жидкостью полость – бластоцель.

Морула и бластоциста на ранних этапах развития


Клеточная масса отчётливо разделяется на два слоя: внешний – трофобласт (та самая плотная оболочка), и внутренний – эмбриобласт, та клеточная масса, из которой начнут развиваться органы.

На 6-7 день будущий эмбрион «устаёт» скитаться в «бескрайнем» пространстве маточной полости и находит «пристанище» на одной из стенок, куда с помощью ферментов, лизирующих (расщепляющих) ткани внедряется трофобласт и «ставит» зародыша «на якорь». Теперь он готов развиваться дальше.

При чём здесь желудок?

 

Самое интересное начинается в конце второй недели, когда клетки обретают способность двигаться и перемещаться. Вся клеточная масса эмбриобласта (внутреннего слоя, внешний теперь будет обеспечивать питание и устойчивость) начинает расщепляться на две части и образовывать «бутерброд», состоящий из двух слоёв: верхнего (или эпибласта) и нижнего (или гипобласта). Чуть позже гипобласт «уходит» на строительство внезародышевых органов (например, желточный мешок), а эпибласт в итоге расходится на эктодерму (с греч. ektós — наружный) и энтодерму (entós — внутренний). Весь этот процесс тоже имеет своё наименование и называется «гаструляция». Да-да, вы всё верно поняли, если подумали, что здесь «замешан» желудок. Всё более расширяющаяся внутренняя полость и слои клеток вокруг неё действительно напоминают этот столь важный пищеварительный орган, поэтому греки решили не заморачиваться с термином.

Но «двухслойного сэндвича» (бутерброд уже был) или, по-научному, зародышевого диска, который получился из эктодермы и энтодермы, явно мало для такого сложного организма на выходе, поэтому необходимо «масло» или третий слой. Он-то как раз и формируется «перебежками» клеток в межслойное пространство, становясь мезодермой. Так образуется гаструла.

Обратите внимание на то, что здесь, на этапе гаструлы, происходит самое первое функциональное разделение клеток – их дифференциация по слоям. А самое главное – зародышевые листки или слои сэндвича активно влияют друг на друга, помогая друг другу развиваться и образовывать новые структуры. Влияние это называется первичной эмбриональной индукцией, а его результат — развитие из эктодермы (та, которая снаружи) нервной ткани.

 

Нейрогенез полным ходом

 

Наконец, мы подошли к основной теме нашей сегодняшней беседы. Введение получилось немного долгим, но это самые основы, тот фундамент, благодаря которому мы с вами дальше будем всё лучше и лучше понимать организацию нервной системы.

Как вы думаете, как называется процесс, который следует за гаструляцией и благодаря которому первой формируется одна из самых главных систем нашего организма? Тут и гадать не проходится – добавляем уже известный нам корень «нейро» и получаем нейруляцию. В результате неё закладываются осевые структуры, и в дальнейшем формируется система нервных волокон и связей.

Нейруляция запускается в начале третьей недели (на 16-е сутки), когда появляются первые признаки формирования нервной пластинки, и, главным образом, завершается к 23-м суткам. Но! Развитие мозга продолжается как в эмбриональном периоде, так и достаточно долго после рождения ребёнка.

Как же там всё происходит? Благодаря первичной эмбриональной индукции, о которой мы уже говорили, из эктодермы появляется нервная пластинка. Здесь клетки окончательно «определяются», что быть им всё их существование нервными.

Нервная пластинка – это дорсальная (спинная) часть эктодермы, и она, в свою очередь, формируется по так называемому кранио-каудальному градиенту. Да, много новых слов, но потерпите ещё немного.

Чтобы понять, что за такой градиент, представьте собаку. У неё есть морда (голова, череп или краниум), которая впереди, и есть хвост (кауда), который сзади, а стоит она на четырёх лапах. Поэтому понятие «кранио-каудальный» или следующий от «головы» к «хвосту» здесь сохраняет свою логику. В процессе эволюции человек приобрёл прямохождение и фактически встал с четырёх «лап» на две, а вот направление осталось. Поэтому теперь кранио-каудальное движение означает движение спереди назад (от носа к затылку, от груди к позвоночнику).

Вскоре края нервной пластинки приподнимаются, и формируются нервные валики, между которыми появляется нервный желобок. Валики всё растут и приходят к тому, что смыкаются посередине – так образуется замкнутая нервная трубка. Краниальный и каудальный участки нервной трубки некоторое время остаются зияющими, а называют их снова без особой фантазии – просто нейропорами (передний и задний нейропор соответственно). Передний нейропор закрывается на 23-26-й день развития (и даёт развитие головному мозгу), а задний — на 26-30-й день.

Развитие нервной системы. Слева – дорсальная (спинная) поверхность зародыша, справа — дорсальная часть зародыша в поперечном разрезе на уровне, обозначенном пунктиром слева. Развитие последовательно сверху вниз: нервная пластинка (19 сутки), нервный желобок (20 сутки), нервная трубка (22 сутки) и зачаток ЦНС (24 сутки).


После смыкания валиков и появления нервной трубки часть эктодермы, расположенная сверху («спинка») формирует новую структуру  нервный гребень.

 

Почти нервная система

 

Помните, мы говорили, что на стадии нервной пластинки клетки уже «определились»? Именно поэтому уже нервная трубка содержит специфические стволовые нейрональные клетки (они же матричные), которые впоследствии становятся источником почти всех клеток центральной нервной системы. Они размножаются и дают начало нейробластам (будущим нейронам) и глиобластам (будущим глиоцитам). Часть из них остаётся «без преображения» и впоследствии формирует внутреннюю выстилку желудочков мозга и мозговых каналов — эпендиму.

Нейробласты в процессе развития преобразуются в нейроны, которые относятся к статической популяции, то есть в живом организме они теряют свою способность к обновлению. Однако, здесь есть исключение. Теряют способность к обновлению все нервные клетки, кроме обонятельных нейронов эпителиальной выстилки носовых ходов, а также некоторых нейронов гиппокампа и обонятельной луковицы.

Глиобласты, которые затем превращаются в макроглию и становятся астроцитами и олигодендроцитами, наоборот, могут обновляться в течение всей жизни человека.

Из нервного гребня формируются элементы «нервной» периферии, а также великое множество других очень важных структур. Только посмотрите, здесь целый арсенал:

  • чувствительные нейроны спинномозговых узлов и ганглиев черепных нервов;
  • симпатические нейроны;
  • парасимпатические нейроны;
  • шванновские клетки и клетки-сателлиты спинномозговых узлов и ганглиев черепных нервов (которые образуют миелиновую оболочку);
  • меланоциты (клетки, вырабатывающие пигмент меланин, защищающий кожу от ультрафиолета);
  • клетки каротидного тельца (располагается в раздвоении сонной артерии а внутреннюю и наружную и регулирует артериальное давление);
  • клетки, продуцирующие кальцитонин (один из гормонов щитовидной железы);
  • хромаффинные клетки (располагаются в мозговом веществе надпочечников и вырабатывают гормоны адреналин, норадреналин и энкефалин);
  • хрящ, кости, мышцы и соединительная ткань лица;
  • верхне- и нижнечелюстной отростки;
  • одонтобласты (которые отвечают за развитие зубов);
  • эндотелий роговицы.

Воистину универсальное эмбриональное образование, не так ли?

Но мы не сказали про ещё одну важную часть — нейрогенные плакоды. Это небольшие утолщения эктодермы, которые располагаются сбоку по обе стороны от формирующейся нервной трубки в краниальном (головном) отделе зародыша. А важные они потому, что дают начало нейронам обоняния (обонятельная выстилка в камерах носа), вестибулярному и слуховому ганглиям или узлам, а также чувствительные нейронам некоторых ганглиев черепных нервов.

Вот такой сложный процесс проходит наша нервная система, чтобы сформироваться и дать нам возможность существовать, ощущать, видеть слышать и мыслить. А в следующем выпуске мы поговорим с вами об её составных элементах – нейронах и нейроглии – более подробно.


Текст: Анна Хоружая

 

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Стресс в детстве способствует ускоренному развитию мозга

Сотрудники Университета Неймегена выяснили, что стрессовые ситуации в возрасте до пяти лет способны увеличивать объем мозга. Оказалось, что такие изменения приводят к ускорению развития серого вещества и повышению зрелости некоторых его отделов. Все подробности исследования учёные изложили на страницах журнала Scientific Reports.

Изменения в левом гиппокампе (а), правой гиппокампальной извилине (b) и передней поясной коре. Credit Tyborowska et al, 2018


Стресс в организме запускает адаптационные процессы, главные участники которых – гормоны глюкокортикоиды. Они способны влиять на работу всего организма: в частности, в мозге изменять активность рецепторов в префронтальной коре, гиппокампе и миндалевидном теле – зонах, ответственных за эмоциональное состояние и когнитивные процессы. Воздействие стресса способно приводить к изменению мозга как в зрелом, так и в раннем возрасте, а механизмы таких изменений до сих остаются загадкой.

За изучение этого процесса в детском возрасте взялась группа учёных из Нидерландов. Они проанализировали мозг 37 детей – 15 мальчиков и 22 девочек, при этом родители маленьких участников рассказали исследователям о стрессовых ситуациях, в которые попадали их дети в возрасте до пяти лет и от пяти до 14.  В это число вошли события, начиная от смены места обучения и травли в коллективе до смерти родного человека. Также учёных интересовала социальная среда и экономических статус: к примеру, много ли внимания уделяют родители маленьким детям и сколько у подростком друзей и недругов в коллективе.

В результате оказалось, что эмоциональные потрясения в детском возрасте оказывали большое влияние на формирования мозга в более старшем. Снижение объема серого вещества в островковой зоне, которая отвечает за формирование сознания и эмоциональную регуляцию, происходило у детей в возрасте менее пяти лет при переживании ими значительного стресса. Такой же процесс происходил и в префронтальной коре головного мозга маленьких участников.

В группе постарше – с пяти до 14 лет, на мозг влияла социальная среда. Так, мозг участников, которых не принимали ребята из класса, имел небольшие уменьшения, а иногда и увеличения серого вещества в префронтальной коре и гипоталамусе. Таким образом, переживания в более зрелом возрасте на формирование мозга не повлияли.

В процессе взросления объём серого вещества из-за высокой пластичности может изменяться под действием различных факторов. Результаты работы учёных показывают, что переживание стрессовых ситуаций в раннем детстве способно ускорить взросление мозга и снизить объём серого вещества по сравнению со сверстниками. Стресс в более старшем – подростковом возрасте, наоборот, замедляет процессы развития, что, по мнению исследователей, может привести к развитию антисоциального поведения и даже к психическим расстройствам.


Текст: Екатерина Заикина

Early-life and pubertal stress differentially modulate grey matter development in human adolescents by Anna Tyborowska, Inge Volman, Hannah C. M. Niermann, J. Loes Pouwels, Sanny Smeekens, Antonius H. N. Cillessen, Ivan Toni & Karin Roelofs in Scientific Reports

DOI:10.1038/s41598-018-27439-5

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Картинка дня: как растёт мозг

Credit: BHAVINSHAH/NeuroArt 


На этом потрясающем снимке, участвовавшем в майском конкурсе NeuroArt, мы можем видеть, как «разворачивается», растет неокортекс эмбриона мыши. Подробнее о том, как развивается наш мозг на эмбриональном этапе своей жизни, вы можете прочитать в нашей большой статье из цикла «Нейронауки для всех».

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Нейронауки в Science и Nature, выпуск 90. Как свернулся гиппокамп у черепахи

Кора головного мозга млекопитающих, как известно, включает шесть нейронных слоев – так называемый неокортекс. Cильнее всего он развит у человека. Однако более древние и простые структуры мозга в ходе эволюции не исчезают полностью, а лишь видоизменяются.

Ученые из Института мозга им. Макса Планка во Франкфурте-на-Майне впервые изучили экспрессию генов в нейронах коры черепах и ящериц (в отличие от предыдущих исследований, которые были основаны лишь на анатомо-морфологических признаках) и обнаружили неожиданные сходства и различия с корой млекопитающих. Эти результаты являются серьезным шагом в нашем понимании хода эволюции мозга позвоночных.

Трёхслойный кортекс черепахи. Credit:MPI f. Brain Research


Наш мозг включает в себя эволюционно сравнительно «древние» области, такие как гиппокамп и «новые» области, такие как шестислойный неокортекс, обнаруженный только у млекопитающих и наиболее заметно у людей (иногда в качестве совокупности белого и серого вещества коры применяется термин «плащ мозга» или паллий). Но когда в эволюции возникли компоненты коры головного мозга и как они развивались?

Млекопитающие, рептилии и птицы происходят от общего предка, который жил около 320 миллионов лет назад. Нейробиологи считают, что у этого предка была небольшая кора с тремя слоями, потому что подобная структура и по сей день является основой гиппокампа млекопитающих и коры современных рептилий.

Сравнивая кору сегодняшних рептилий с древними и новыми элементами мозга сегодняшних млекопитающих (например, гиппокампом и неокортексом, соответственно), можно выявить сходства, потенциальные наследственные черты и различия — в результате их независимого развития — и таким образом восстановить основные особенности развития коры.

Основная проблема заключается в том, что для анализа этих черт до сих использовались методы сравнительной анатомии и морфологии. Новое же исследование, опубликованное в Science, включает молекулярный анализ отдельных нейронов и обеспечивает уникальные данные, помогающие восстановить эволюционный ход развития коры.

На протяжении десятилетий анатомические различия между мозгом рептилий и млекопитающих вызвали множество споров о развитии коры: соответствует ли эта часть мозга рептилий аналогичной для млекопитающих, или же многие слои, обнаруженные в неокортексе млекопитающих, действительно существуют и у рептилий? Ответ кроется в молекулярных основах.

Типы нейронов различаются по морфологии, набору нейромедиаторов, образуемыми связями и функциональными свойствами – и все это – результат экспрессии определённого набора генов. Если ген считывается, можно зафиксировать его РНК. Вся совокупность этих молекул (отражающая активные гены) называется транскриптомом. Он уникален для каждого типа нейронов, и именно его изучение привело исследователей к новому открытию.

Из каждого типа они смогли идентифицировать диагностические маркерные гены и использовать кодируемые ими белки для оценки положения различных типов клеток в головном мозге. Маркерные белки метили флуоресцентными молекулами, в результате чего гистологический срез превращался в цветную картину, на которой легко можно было установить количество и расположение различных типов нервных клеток.

Авторам удалось сравнить молекулярные карты мозга рептилий с аналогичными картами для млекопитающих, найти взаимно однозначные соответствия и даже выдвинуть гипотезы о том, каким был мозг у их общего предка, жившего 320 миллионов лет назад.

Новые молекулярные карты показывают, что у рептилий существуют типы нейронов, которые соответствуют типам, обнаруженным в гиппокампе млекопитающих. У рептилий гиппокамп находится в центре мозга, но, в отличие от его «свернутого» аналога млекопитающих, выглядит как один лист.

Судя по всему, у ранних млекопитающих гиппокамп постепенно сдавливался растущим неокортексом и вынужден был завернуться сам в себя, приобретя таким образом ту форму, которую мы сейчас наблюдаем у млекопитающих.

Кора рептилий тоже кое-что прояснила в истории неокортекса млекопитающих: тормозные нейроны, например, экспрессируют подобные наборы генов у рептилий и млекопитающих, что указывает на общую родословную. Однако возбуждающие нейроны существенно различаются. Из этого можно заключить, что неокортекс млекопитающих – своеобразное сборище древних и новых типов нейронов. И основная «инновация» шестислойного неокортекса заключается в появлении новых и разнообразных типов возбуждающих нейронов.

Исследователи сообщают, их работа — это только начало большого пути. Глубокое исследование молекулярных сходств и различий может помочь проследить детальную эволюцию мозга.


Текст: Дарья Тюльганова

Evolution of pallium, hippocampus, and cortical cell types revealed by single-cell transcriptomics in reptiles

Maria Antonietta Tosches, Tracy M. Yamawaki, Robert K. Naumann, Ariel A. Jacobi, Georgi Tushev, 

Gilles Laurent

Science  03 May 2018:
eaar4237
DOI: 10.1126/science.aar4237

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтакте и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.