Нейронауки в Nature и Science. Выпуск 102: искусственная регенерация в сетчатке позволила слепым животным увидеть свет

Американским нейробиологам впервые удалось «пробудить» регенеративный потенциал одного из типов клеток сетчатки млекопитающих и обеспечить способность видеть свет слепым от рождения лабораторным животным. Ученые считают, что это может стать еще одним уверенным шагом на пути к лечению врожденной слепоты – не зря материал опубликовали в Nature.


В сетчатке у животных существует тип клеток, называемых клетками Мюллера. Это глиальные клетки, по частоте встречаемости они стоят на втором месте после нейронов и за счет колонообразной вытянутой формы составляют каркас или скелет сетчатки. На одну Мюллеровскую клетку приходится примерно 10-11 нейронов.

У рыбок данио-рерио – излюбленных модельных животных исследователей, работающих с нервной системой – эти клетки способны самостоятельно превращаться в рецепторы (палочки) при их повреждении. Однако, у млекопитающих такой механизм отсутствует, несмотря на то что любое повреждение сетчатки также стимулирует их деление и ограниченную дифференцировку в нейроны. Авторы работы из школы медицины Икана центра Маунт-Синай в Нью-Йорке решили проверить, удастся ли простимулировать клетки Мюллера искусственным образом так, чтобы добиться такой же активной их перестройки в нейроны, какая есть у рыб и амфибий.

В предыдущих экспериментах исследователи вводили в Мюллеровские клетки с помощью вирусного вектора ген белка β-катенина, который стимулировал их деление и дифференцировку, но результат оказывался недостаточным для полноценного функционирования сетчатки. В этот раз они решили добавить второй этап и через две недели после подсадки первого гена тем же образом внедрили в глаза слепых от рождения мышей (специально выведенная модель) четыре новых гена, которые отвечали за перестройку клеток Мюллера в палочки и запуск их функциональной активности.

β-катенин в межклеточных контактах клеток эмбриональной карциномы


В итоге после наблюдений за животными, получившими лечение, ученые установили, что в их зрительной коре появилась активность, которая говорила о том, что сигнал от сетчатки стал поступать в мозг и обрабатываться. После гистологического исследования выяснилось, что превращение прошло успешно, и новые палочки хорошо встроились в сетчатку и присоединились к другим клеткам.

Тем не менее авторы замечают, что восстановилось лишь 0,2 процента от всех нефункционирующих рецепторов, что крайне мало для зрения здорового животного. То есть появилась реакция на свет, но для восприятия формы объектов и других деталей такого количества не хватает. Поэтому в дальнейших планах исследователей – найти дополнительные гены, способные помочь клеткам сетчатки «приходить в форму», а также начать эксперименты с сетчаткой человека.


Текст: Анна Хоружая

Restoration of vision after de novo genesis of rod photoreceptors in mammalian retinas by Kai Yao, Suo Qiu, Yanbin V. Wang, Silvia J. H. Park, Ethan J. Mohns, Bhupesh Mehta, Xinran Liu, Bo Chang, David Zenisek, Michael C. Crair, Jonathan B. Demb & Bo Chen in Nature. Published August 2018.

https://doi.org/10.1038/s41586-018-0425-3

 

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 100. Нейростарости: растворимые сенсоры в мозге

Ученые из Медицинской школы Университета штата Вашингтон в Сент-Луисе и инженеры из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейне в 2016 году создали датчики, которые нейрохирурги смогут имплантировать под черепную коробку без необходимости их впоследствии удалять: по окончании работы датчики просто растворяются. О своей разработке команда сообщила  в престижном журнале Nature.

Новые датчики оказались размером с кончик карандаша


Сообщество исследователей и разработчиков двух университетов создали датчики размером с кончик простого карандаша, которые нейрохирурги могут имплантировать во время операций под черепную коробку для постоянного точного мониторинга внутричерепного давления и температуры. Датчики растворяются в течение нескольких десятков часов.

Процесс растворения датчиков. Seung-Kyun Kang et al


«Электронные устройства и их биомедицинские применения активно развиваются. Но главное препятствие состояло в том, что имплантаты часто вызывают иммунную реакцию, которая может оказаться проблематичной для пациентов. Преимущество новых устройств в том, что они растворяются со временем, поэтому не останутся в мозге надолго и их не придется доставать обратно, что резко уменьшает риск инфекции и дальнейших осложнений», — говорит доктор Рори Дж. К. Мерфи, нейрохирург в Медицинской школы Университета штата Вашингтон в Сент-Луисе и Еврейского госпиталя Барнс в Сент-Луисе, соавтор статьи.

Важность таких датчиков неоспорима: только в США погибает от черепно-мозговых травм более 50 000 человек в год.Новые устройства в основном сделаны из полимолочной кислоты, сополимеризованной с гликолевой кислотой (PLGA) и силикона. В первом «раунде» испытаний их погружали в физиологический раствор, где они растворялись в течение двух дней, после чего провели испытания на мышах. Теперь ученые приступают к исследованиям на людях.


Текст: Алексей Паевский

Bioresorbable silicon electronic sensors for the brain

Seung-Kyun Kang, Rory K. J. Murphy, John A. Rogers

Nature volume530, pages71–76 (04 February 2016)

 

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 98: «мозг неандертальца» вырастили в пробирке

Ученые воспользовались технологией выращивания органоидов и внесли в ДНК стволовых клеток, которые стали основой имитации коры головного мозга, мутацию из генома неандертальца, расшифрованного около десяти лет назад. Такая манипуляция позволила пронаблюдать за тем, как развивался мозг наших предков, и оказалось, что его форма и конструкция нейронных связей весьма отличаются от таковых у современных людей. Авторы рассказали о своей работе на конференции Imagination and Human Origins, однако подробности доклада настолько заинтересовали всех, что они были  опубликованы в редакционной заметке журнала Science.

Credit: J. Cohen / Science


Человечество впервые узнало, какие особенности в себе таит геном неандертальца, в 2009 году, когда международная группа генетиков под руководством Сванте Паабо объявила об окончании проекта по его расшифровке, который начался в 2006 году. Ученые прочитали 3,7 миллионов пар нуклеотидов ДНК, взятой из фаланги пальца взрослой неандертальской женщины возрастом 50 тысяч лет, который нашли в Денисовой пещере. С тех пор исследователи пытаются выяснить, какие биохимические, молекулярные и гистологические детали жизнедеятельности могли обуславливать те или иные особенности генома предков человека.

Понятное дело, что мозг, как самый сложный и один из наиболее интересных с точки зрения эволюции органов, сильно интересовал ученых. Технологии редактирования генома, а также выращивания в чашке Петри из плюрипотентных клеток любые органоиды, в том числе участки мозговой ткани, предоставили возможность исследователям увидеть своими глазами, как в процессе развития видоизменяется мозг с частично неандертальским вариантом генома, и что происходит на микроструктурном уровне.

С помощью системы CRISPR/Cas9 научная группа под руководством Алиссона Мюотри (Alysson Muotri) внесла изменения в единственный ген NOVA1 ДНК фибробластов (из 200 функционально значимых), которые затем «переформатировали» в стволовые клетки и заставили с помощью «коктейля» из ростовых факторов дифференцироваться в нейроны. Продукт этого гена – белок, который контролирует процесс созревания РНК (сплайсинг), следовательно, его видоизменение могло привести и к перестройке целого пула других белков, подконтрольных матричным РНК.

На верхнем изображении органоиды, которые получились из клеток современного человека, на нижнем – с мутацией неандертальца. Credit: Alysson Muotri


Получившиеся из таких клеток органоиды, которые росли в течение нескольких месяцев, несколько отличались по форме от органоидов из клеток современного человека. Они, по словам ученых, казались сморщенными и похожими на «попкорн», тогда как контрольные органоиды имели ровные округлые очертания. Изменения прослеживались и на микроструктурном уровне: клетки в неандероидах (так исследователи назвали органоиды с неандертальской мутацией) мигрировали быстрее, строили со своими «соседями» меньше количество связей, напоминая то, как выглядят нейронные сети в мозге детей с аутизмом.

Тем не менее, Сванте Паэбо, сейчас уже директор Института эволюционной антропологии им. Макса Планка в Лейпциге, Германия, отнесся к результатам опыта скептично, потому что невозможно предсказать, какие генетические различия «функционально релевантны». К тому же органоид крайне слабо отражает реакции, которые происходят в мозге взрослого человека, да и случайные мутации в процессе его роста не исключены. Однако, его научная группа также начала подобные эксперименты, и только в большом количестве информации и повторяющихся опытов, по его мнению, найдется некая истина.


Текст: Анна Хоружая

Exclusive: Neanderthal ‘minibrains’ grown in dish

Jon Cohen

Science. Jun. 20, 2018

Posted in:

doi:10.1126/science.aau5384

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 97: ученые смогли переписать память без «вторжения» в мозг

Память о полученном страшном опыте позволяет избавиться от страха. О нейробиологических основах этого явления в журнале Science рассказали швейцарские исследователи. Они выяснили, что поведенческая терапия на основе нейронной сети или энграммы, в которой записан страх, перезаписывает это воспоминание на нейтральное, если во время встречи с триггером не происходило ничего вредящего.

Секция зубчатой извилины гиппокампа. Credit:  Linda Kitabayashi-Henriette van Praag/NeuroArt


Наши собственные страхи доставляют нам множество неудобств и практически не проходят сами по себе, если с ними не бороться. В то или иное время они отравляют жизнь более трети населения планеты В сложных ситуациях жуткие воспоминания перерастают в фобии и посттравматические стрессовые расстройства (ПТСР), которые трудно поддаются лечению. Так, каждый год, по данным статистики, ПТСР появляется у одного процента от общей популяции людей.

Однако, если активировать нейронные ансамбли (энграммы) с записанными неприятными воспоминаниями в безопасных условиях, то страх со временем проходит. На этом эффекте основана когнитивно-поведенческая терапия, которая действительно работает, но ее нейробиологические основы оставались неясными, особенно в отсроченном периоде.

Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) сначала изучили то, какие клетки активизируются, когда записывается страшное воспоминание. Они вводили мышам вирусный вектор, который доставлял в клетки мозга гены флуоресцентных белков и встраивал их в ДНК, а затем наблюдали за формированием нейронного «рисунка» воспоминания в зубчатой извилине гиппокампа (часть мозга, ответственная за память), когда мышь помещали в бокс и воздействовали слабым током на ее лапы.

С помощью этих манипуляций (называющихся engram-tagging) они выяснили, в каких конкретно клетках записалась память о стрессовом опыте, и когда даже через месяц помещали животное в тот же самый бокс, наблюдали реакцию страха (отсутствие движения, прижатые к голове уши) и активацию этой энграммы. Но если действие повторялось, то через несколько дней животное переставало реагировать на бокс настороженно, однако, энграмма при этом все еще оставалась активной.

С помощью хемогенетики (сконструированный рецептор, активирующийся исключительно сконструированным лекарством, DREADD) исследователи пытались выключить эту энграмму и выяснили, что в этом случае животные хуже отучались бояться, нежели в контрольной группе. Однако, если энграмма искусственным образом активизировалась, то реакция страха проходила у мышей быстрее.

Авторы считают, что поведенческая терапия работает по тем же самым механизмам. В контролируемых условиях кабинета врача на пациента воздействуют триггерами его страха – показывают фотографии, видео или дают послушать шум, но на этом все и заканчивается. И получается, что память перезаписывается наподобие диска DVD-RW, «сохраняя» на основе нейронной сети страшного воспоминания новое – безопасное.


Текст: Анна Хоружая

Reactivation of recall-induced neurons contributes to remote fear memory attenuation by Ossama Khalaf, Siegfried Resch, Lucie Dixsaut, Victoire Gorden, Liliane Glauser, Johannes Gräff in Science. Published Junе 2018.

DOI: 10.1126/science.aas9875

 

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 95: увидеть формирование зависимости в живом мозге

Исследователи из Калифорнийского университета в Дэйвисе в рамках программы BRAIN Initiative создали новую сверхбыструю методику регистрации дофаминовой активности в мозге. Статья учёныхопубликована в журнале Science.

Активация оптогенетическими методами вентральной области покрышки и регистрация дофаминовой активности прилежащего ядра. Patriarchi et al., Science


Авторы разработали генетически встраиваемый в нейроны сенсор дофамина, который получил название dLight1. Этот белок флуоресцирует во время выделения дофамина, что позволяет оптическими методами наблюдать динамику дофамина фактически в прямом эфире. Разумеется, эта методика доступна для применения только на экспериментальных животных, в первую очередь, на мышах.

 Зато в сочетании с оптогенетическими методами можно сделать очень многое. Так, например, оптогенетически «включая» области вентральной области покрышки, где расположены начала двух дофаминовых путей, мезокортикального и мезолимбического, можно наблюдать дофаминовую активность, например, в прилежащем ядре.

Широкое применение этого инструмента будет способствовать более глубокому пониманию дофаминовой активности, лежащей в основе мотивации, вознаграждения и движения, и проложит путь к обнаружению эффективной и новой терапии депрессии, различных зависимостей и наркомании. Кроме этого, авторы надеются на прорывы в изучении и терапии такого «дофаминового» заболевания, как болезнь Паркинсона.


Текст: Алексей Паевский

Ultrafast neuronal imaging of dopamine dynamics with designed genetically encoded sensors.

Patriarchi et al., Science 10.1126/science.aat4422 (2018).

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 94. Как мозг строит карты и запоминает их

Для того, чтобы запомнить какой-либо маршрут, мы обычно ищем некие ориентиры, запоминаем их и отталкиваемся в планировании дальнейшего маршрута от их расположения. Исследователи из Германии показали, что происходит в это время с мозгом, а точнее – с гиппокампом, ведь именно он берет на себя основную функцию пространственной памяти. Результаты работы ученые опубликовали в  Nature.

Схема эксперимента: мышка с двухфотонным микроскопом, «смотрящим» в прорубленное в гиппокамп окно, сферическая беговая дорожка и экраны виртуальной реальности. Credit: Hainmueller


Оказывается, не только человек мысленно привязывается к ориентирам, но и сами гиппокампальные нейроны. Мы знаем, что любое воспоминание закодировано в межнейронных связях – синапсах, но до сих пор слабо представляем алгоритм их образования. Для того, чтобы выяснить, как образуются энграммы (функциональные нейронные группы, отвечающие за память), исследователям потребовалась лабораторная мышь и некоторые навыки из области молекулярной биологии.

В нейроны гиппокампа мышки пришлось при помощи аденоассоциированного вируса встроить специальные белки, которые светятся из-за повышения внутриклеточной концентрации кальция (а это – прямое свидетельство активации нейрона). Таким образом, ученые могли в режиме реального времени посредством специального микроскопа следить за тем, какие нейроны когда активируются и как они влияют на соседние. То есть, воочию увидеть процесс образования и использования энграмм. Правда, для этого несчастной мышке в буквальном смысле «прорубали» окно для двухфотонного микроскопа в гиппокамп.

После модификации мозга, мышке предлагалось пройти по лабиринту: да не по простому, а по виртуальному. Она сидела на сфере с жестко зафиксированной головой, где могла имитировать движения и повороты, а на экране был изображен сам лабиринт. Пройти его она должна была определенным образом, поэтому за «правильные» повороты животное получали лакомство. Запомнила мышь все нужные повороты довольно быстро и скоро уже без труда проходила лабиринт от начала до конца с одной попытки. Пока она была занята ориентацией на местности, ученые не могли оторваться от наблюдения за ее гиппокампом, а точнее – за зонами CA1 и CA3 в гиппокампе.

В результате они собрали достаточное количество данных, проанализировали их, и вот что выяснил: отдельные нейроны отвечают за конкретные отдельные ориентиры (впрочем, это было известно еще раньше – именно за открытие «клеток места» и других систем навигации в гиппокампе была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 2014 года Джону О`Кифу и супругам Мозерам). По мере движения между нейронами по цепочке образуются новые и новые связи, в результате чего в гиппокампе создается мини-карта местности. При повторном прохождении маршрута, нейроны активируются в том же порядке и связи между ними укрепляются. Таким образом и запоминается расположение ориентиров и порядок действий при встрече с ними.

В дальнейшем, через пару дней, начнет происходить консолидация памяти – её перевод из краткосрочной в долгосрочную, из гиппокампа в кору («выходящие» пути расположены в зоне CA1). Но это уже совсем другая история…

Кстати, почти два года назад, мы уже публиковали работу исследователей из Франции, которые тоже в прямом эфире смогли наблюдать, как мышка запоминает пройденный путь. В этом тексте, кстати, можно подробно прочитать про то, как делается окно в гиппокамп.


Текст: Дарья Тюльганова

Parallel emergence of stable and dynamic memory engrams in the hippocampus

Thomas Hainmueller & Marlene Bartos

Nature, 2018

 

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 92: роботы и протезы почувствуют прикосновение

Искусственную нервную систему, которая может позволить протезам и роботам ощущать прикосновение, создали исследователи из Стэнфордского университета. Разработка чувствительна настолько, чтобы идентифицировать буквы в алфавите Брайля, а подробнее с работой можно ознакомиться в Science.

Credit:Neurosciencenews.com


«Мы воспринимаем кожу как нечто само собой разумеющееся, а на самом деле это сложная система восприятия и передачи информации. Наша искусственная сенсорная нервная система – шаг к созданию сенсорных нейронных сетей, подобных коже», — объяснил Жена Бао (Zhenan Bao), один из авторов.

Разработка представляет собой искусственный сенсорный нервный контур, который можно встроить в покрытие нейропротезных устройств и мягкой робототехники. Она включает в себя три компонента: сенсорный датчик, электронный нейрон и синаптический транзистор.

Первый – сенсорный датчик – может воспринимать даже сигналы незначительной силы. Далее он посылает эти сигналы через второй компонент – гибкий электронный нейрон. Так стимулируется третий компонент — искусственный синаптический транзистор, смоделированный на примере синапса человека.

«Биологические синапсы могут передавать сигналы, а также хранить информацию для принятия простых решений. Синаптический транзистор выполняет эти функции в цепи искусственного нерва», — добавил Тэ-Ву Ли (Tae-Woo Lee), один из авторов, лаборатория которого и занималась разработкой третьего компонента системы.

В качестве примера Ли использовал рефлекс коленного сустава. У человека при растяжении мышц коленного сустава рецепторы передают сигнал в мозг. Нейронная сеть узнает внезапное растяжение и одновременно посылает два сигнала: один заставляет мышцы колена рефлекторно сокращаться, а второй, менее срочный, регистрировать ощущение в мозге.

Разработке предстоит пройти долгий путь, прежде чем она достигнет такого уровня сложности. Но в работе авторы описывают, как электронный нейрон передавал сигналы синаптическому транзистору. Последний спроектирован так, что он умеет распознавать и реагировать на импульс на основании интенсивности и частоты сигнала, как и биологический синапс.

Ученые также протестировали способность системы генерировать рефлексы. Они подключили свой искусственный нерв к ноге таракана, а затем оказывали легкое воздействие на сенсорный датчик. Электронный нейрон преобразовал сигнал датчика в цифровые сигналы и передал их через синаптический транзистор. Это заставило ногу энергично подергиваться. Также искусственный нерв смог отличить буквы в шрифте Брайля.

Тем не менее, технология искусственного нерва пока остается в зачаточном состоянии. Исследователи отмечают: чтобы создать искусственные покрытия для протезов, подобные коже, нужно разработать новые устройства для определения тепла и других ощущений, научиться встраивать их в гибкие цепи, а затем найти способ связать все это с мозгом.


Текст: Любовь Пушкарская

A bioinspired flexible organic artificial afferent nerve by Yeongin Kim, Alex Chortos, Wentao Xu, Yuxin Liu, Jin Young Oh at al.in Science. Published June 2018. doi:10.1126/science.aao0098

 

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

Раскрыта клеточная модель особенностей людей с «лицом эльфа»

Нейростарости. Нейронауки в Science и Nature, выпуск 91

Долгие годы ученые не могли понять механизм синдрома Вильямса (или Вильямса-Бюрена) — редкого генетического заболевания, которое поражает в среднем одного из десяти тысяч новорожденных. Американские медики вплотную приблизились к разгадке недуга, создав его клеточную модель. Нейроны при синдроме отличаются повышенным количеством дендритов и низкой жизнеспособностью. Статьюопубликовали в журнале Nature.

Люди с синдромом Вильямса на разных этапах жизни. Илл. из статьи N Engl J Med 2010;362:239-52.  с сайта Ассоциации синдрома Вильямса


У людей с синдромом Вильямса  (WS или WBS в англоязычной литературе) характерная внешность, напоминающая фольклорного эльфа с низким лбом, широким разлетом бровей, носом-пуговкой, большим ртом и редкими длинными зубами. Именно поэтому его ещё называют «лицо эльфа». Также у страдающих этой болезнью снижено умственное развитие при сохранении некоторых интеллектуальных способностей, кроме этого они отличаются исключительной высокой общительностью, приветливостью, доверчивостью и добродушием.

Синдром описал в 1961 году новозеландский кардиолог Джон Киприан Фиппс Уильямс, знаменитый еще и тем, что в 1969 году полностью оставил карьеру, порвал все связи и исчез, время от времени появляясь в Европе — последние сведения об этом удивительном человеке относятся к 2000 году. Жив ли сейчас Уильямс, родившийся в 1922 году — неизвестно.

Прошлые исследования показали, что синдром Вильямса связан с делецией определённого участка из длинного плеча седьмой хромосомы. Длина потерянного фрагмента составляет около 3 миллионов пар оснований и затрагивает 26 генов. Однако, за примечательным исключением гена эластина, потеря которого проявляется в нарушениях формирования стенок сосудов, функции этих генов остаются, по большей части, неизвестными. Следовательно, механизм возникновения заболевания не ясен, что не позволяет создать какие-либо эффективные методы лечения.

Группа медиков из Калифорнийского университета в Сан-Диего под руководством Элисон Мюотри (Alysson Muotri) отобрали пять детей с синдромом Вильямса в возрасте от 8 до 14 лет, подтвердили их заболевание с помощью генетического анализа и отобрали образцы соматических клеток из ткани выпавших ранее зубов.

Клетки зубной пульпы, включая нейроны, образуются из одной линии стволовых клеток. Используя сигнальные белковые факторы Яманаки, авторы работы «вернули» взрослые дифференцированные клетки, выделенные из пульпы, в такое раннее состояние. А затем запустили процесс обращения в нейроны и исследовали характеристики этих клеток.

Оказалось, «нейроны синдрома» анатомически и физиологически заметно отличаются от нормальных. В частности, у них замедлен рост и деление и усиленный апоптоз. Нейроны ветвятся на бóльшее количество дендритов, чем обычно, а дендриты, в свою очередь, имеют большее число шипиков. Так, ткань, образованная этими клетками, отличается необычайной связностью между клетками и множеством синапсов.

Помимо этого, учёные показали, что увеличенная активность апоптоза может быть связана с одним из генов, подвергшихся делеции, FZD9, белковый продукт которого участвует в регуляции клеточного деления. Это подтвердили эксперименты с нарушением работы FZD9 в аналогичной линии клеток-предшественниц нейронов, полученных из клеток пульпы здоровых людей.

«Новая модель с использованием индуцированных плюрипотентных стволовых клеток заполняет существующий пробел в представлениях о клеточной биологии синдрома Вильямса, — заключают авторы работы, — и может принести новые находки молекулярных механизмов, лежащих в основе болезни и работы „социального мозга“ человека».


Текст: Алексей Паевский

A human neurodevelopmental model for Williams syndrome
Thanathom Chailangkarn, Cleber A. Trujillo[…]Alysson R. Muotri

Nature volume 536, pages 338–343 (18 August 2016)
doi:10.1038/nature19067

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.

Нейронауки в Science и Nature. Выпуск 89: применима ли научная этика к культурам мозга?

Множество лабораторий располагают культурами нейронов. А если они объединятся в группы? Организуются в ткань и будут генерировать собственные сигналы – мысли, переживания. Что тогда? Этим клеткам полагается защита, которая обычно в исследованиях обеспечивается всем животным, а тем более людям? Как с ними обращаться, какие законы – клеточные или организменные – к ним применимы? На вопросы об этике в экспериментах с мозгом попыталась ответить группа американских исследователей в своей статье, опубликованной в Nature.

Работа со срезами мозга человека. Credit: Darragh Mason Field/Barcroft Images/Getty


Это вопросы кажутся странными, ведь если и придётся их когда-либо решать, то не на нашем веку – вот что думает большинство людей. Отчасти они правы, но всё-таки подобные проблемы уже наступают человечеству на пятки. Сегодня мы можем гораздо больше простого выращивания культур: разрабатываемые модели для исследования функционирования человеческого мозга позволяют растить миниатюрные, упрощённые версии нейрональной ткани, выращенные из стволовых клеток – так называемые сфероиды. Это не просто определённый тип нейронов – это могут быть разные нервные клетки, включая глию, которые сосуществуют вместе также слажено, как и в более обширных количествах в головном мозге живого организма.

Учёные, занимающиеся этим, постоянно пребывают между молотом и наковальней: с одной стороны – наше тотальное непонимание многих базовых основ функционирования нервной системы, уже не говоря об отклонениях в этом сложнейшем процессе. Хотя животные модели во многом ограничены, они всё равно широко используются для исследований в этой области. Но зачастую то, что работает на животных, не работает (или работает совершенно иначе) у людей. С другой стороны, отказ от исследований, основанных на химерных животных, просто бесчеловечен с учётом объёма до сих пор не полученной информации и количества страдающих людей. Но с приближением исследований на химерах неумолимо приближаются и острые этические споры…

И проблема не только в создании и эксплуатации химер. Она заключается ещё и в отсутствии чётких руководств по обращению с ними, в которых мы сейчас нуждаемся как никогда. Более того, они должны быть адаптированы с учётом последних открытий, технологий и возможностей – такой уточняющий вывод делают нейробиологи, биологи стволовых клеток, этики и философы по результатам всеобщего собрания, посвященного этике и проведённого в 2017 году при поддержке Национального Института Здоровья США (National Institutes of Health, NIH). Далее приведены основные проблемы, которые затронуло научное сообщество в ходе этого мероприятия – именно они должны лечь в основы современных руководств.

Безопасные суррогаты

Для исследований человеческого мозга без участия человека предложено три варианта:

Органоиды (сфероиды) – стволовые клетки мозга при умелой поддержке разнообразными факторами роста могут дифференцироваться и самоорганизовываться в структуры, которые напоминают определённые области человеческого мозга. На этой модели можно проследить образование межнейронных связей, миграцию нейронов и ключевые особенности строения мозга.

3D органоиды мозга. Credit: Genome Institute of Singapore, A*STAR


Из достоинств этой модели можно отметить длительное время жизни (по сравнению с монослойными культурами во флаконах или чашках петри) – около двух лет, причём, это не отдельная культура, а совокупность типов клеток – уже вышеупомянутые нейроны и глиальные клетки. Однако, они не лишены недостатков: не все типы клеток могу полноценно самоорганизовываться – органоиды не способны васкуляризироваться и развивать микроглию. Они имеют размер не более 4 мм, и это очень много по сравнению с клеточной культурой, но всё ещё мало по сравнению со средними 1350 кубическими сантиметрами мозга. 4 миллиона клеток против 86 миллиардов – практически ничто.

И все же эта модель позволила исследовать такие нейропатологии, как аутизм и шизофрению, а также установить причины микроцефалии детей женщин, заразившихся вирусом Зика. А ещё в одном из исследований с применением этой модели, где помимо мозговых нейронов присутствовали клетки сетчатки, удалось получить детерминированный ответ от сфероида в ответ на фотостимуляцию.

Мозг Ex vivo. Эта методика заключается в исследовании, построенном на кусочках ткани мозга пациента, извлечённого в ходе проведения хирургических вмешательств или изъятого у свежего трупа. «Похвастаться» этот метод может тем, что размер тканей достигает размера кубика сахара, а то и больше. Для исследования делают срезы, которые сохраняют функциональную активность до нескольких недель. Современные методы сохранения ткани и визуализации физиологических процессов  только прибавляют мощности этому научному инструменту.

Используя эти срезы, исследователи могут измерить синаптические и другие свойства нейронов в интактных схемах головного мозга; отобразить трехмерную морфологию; экстрагировать и анализировать клеточную РНК, чтобы исследовать экспрессии интересующих генов и даже пользоваться оптогенетическими подходами. И тем не менее, полученные образцы ткани принадлежат патологическим очагам – опухолевым или эпилептическим. Нормальную нейрофизиологию с их помощью практически не постичь.

Третьим методом, с которого и взяла начало статья — химеры. Он заключается в трансплантации человеческих клеток, полученных in vitro из плюрипотентных стволовых клеток, в мозг животных, например, грызунов. В этом случае обеспечивается более естественная благоприятная среда, нейроны могут развиваться и дифференцироваться прямо в мозге животного.

Например, нейробиологи пересадили человеческие глиальные клетки мышам и обнаружили, что животные стали чуть лучше выполнять определённые задачи, связанные с обучением. Исследователи также вводили человеческие стволовые клетки эмбрионам свиней на ранних стадиях развития эмбрионов, а затем пересаживали эмбрионы суррогатным свиноматкам, правда, только до конца первого триместра беременности. Дольше запрещено этическим комитетом. Более 150 эмбрионов развились в химеры; у них около 1 из 10000 клеток в зачатках сердца и печени были человеческими.

Другая группа исследований даже успешно пересадила человеческие нейроны грызунам, добившись их полноценной васкуляризации.

Вопросы для рассмотрения

Чем дальше развиваются технологии выращивания элементов мозга вне человека, тем больше беспокойств не только у этического комитета, но и у обычных людей – они думают о том, что мы практически не способны достоверно установить факт наличия у этих структур чувствительности, памяти и сознания.

Может ли при исследованиях, связанных с мозговой тканью, взятой от живого человека или трупа, сохраняться информация о воспоминаниях человека? Могут ли структуры, которые уже не «биологически человеческие», всё ещё оправдывать некоторую степень квази-человеческого или человеческого морального статуса?

Ввиду того, что природа сознания, равно как и методы установки его функциональных проявлений, до сих пор не выяснена, говорить о его наличии или отсутствии у клеточных агрегатов кажется чем-то абсурдным.

Что касается химер – они бесспорно имеют определённую форму сознания, хотя и вряд ли полноценно человеческую. Но так ли это важно? Ведь этические принципы относятся к животным в едва ли меньшей степени, чем к людям. Поэтому они содержатся … преимущественно в коматозном состоянии. Влияет ли это на получаемые результаты исследований? Пока никто не может дать ответ на этот вопрос.

Человек или животное – размытое понятие

Исследователи уже получали мышей с поджелудочной железой крыс, вводя крысиные плюрипотентные стволовые клетки в мышиные эмбрионы. Тот же подход может однажды дать возможность производить человеческие органы в других животных.

Но определение границ дозволенного в этом случае ещё более туманно – растить сердце в свинье можно, а мозг в крысе – нет. Что из этого делает животное более или менее человекоподобным?

Могут ли модели человеческого мозга ex vivo бросать вызов нашему пониманию жизни и смерти? Какие последствия могут иметь такие модели для юридического определения смерти и каковы последствия для решений, связанных с этим определением, таких как донорство органов? Иными словами, если смерть – это смерть мозга, то можно ли считать умершим того, фрагменты чьего мозга всё ещё функционируют в мыши или крысе?

Является ли стандартный процесс получения информированного согласия адекватным для исследований с использованием клеток или тканей человеческого мозга или разработки суррогатов мозга из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток?

В настоящее время исследователи, использующие плюрипотентные стволовые клетки или ткани мозга, подробно описывают пациенту план исследования. Много ли людей захотят, чтобы их мозг раздробили и использовали для создания химер?…

Этот целевой подход используется в других контекстах. Когда люди, проходящие процедуры оплодотворения in vitro, предпочитают жертвовать лишние эмбрионы для исследования, например, они уверены, что они не будут использоваться для создания ребёнка.

Кто должен «владеть» (и должен ли?) мозговой тканью ex vivo, органоидами мозга или химерами?

Как следует утилизировать человеческую мозговую ткань или обрабатывать её в конце эксперимента? Сегодня мозговые органоиды или ткань мозга ex vivo обезвреживаются в соответствии со стандартными методами утилизации всех тканей. Но если исследователи получат мышей, скажем, с некоторыми передовыми когнитивными способностями, должны ли эти животные быть уничтожены или получить специальное лечение в конце исследования?

Этические усилия

В области нейронаук этическими комиссиями уже предпринимаются различные усилия. Описываемые технологии настолько новы, противоречивы и необходимы, что существующие институциональные комитеты по этике или мероприятия по надзору за исследованиями стволовых клеток, возможно, ещё даже не разработаны. Для исправления этой проблемы планируется дополнительно призвать множество специалистов по этике и смежным областям наук.

Самое важное! Эти сложные вопросы не должны останавливать передовые исследования. Напротив, экспериментальные модели человеческого мозга могут помочь нам разгадать тайны о психических и неврологических заболеваниях, которые долгое время оставались неуловимыми. Но для обеспечения успеха и социального признания этого исследования в долгосрочной перспективе этическая основа должна появиться как можно скорее, полнее и перспективнее. И неважно, сколько на это потребуется сил – всё ради новой, «химерной», эры в науке.


Подготовила Дарья Тюльганова

The ethics of experimenting with human brain tissue. Difficult questions will be raised as models of the human brain get closer to replicating its functions, explain Nita A. Farahany, Henry T. Greely and 15 colleagues. Nature 556, 429-432. Published April 2018.

doi: 10.1038/d41586-018-04813-x

 

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