Дата публикации: 24.06.2022
Как вернуть в строй
нейроны
с ограниченными возможностями.
Мозг – едва ли не самый сложный для понимания объект во вселенной. Мы так много о нём знаем, но ещё больше можем лишь предполагать. Например, наука уже пришла к пониманию децентрализованности его функций, нашего сознания или мыслей вообще, однако как именно это осуществляется – досконально ещё не выяснено. Хотя такое положение дел не мешает инженерам пытаться применять его архитектурный принцип в усовершенствовании вычислительных систем. Кстати, то, о чём пойдёт речь ниже, может пригодиться и упомянутым технологиям. Но вернёмся к самому мозгу.
Итак, учёные из Калифорнийского университета в Ирвине обнаружили (а точнее – подтвердили ранее имевшееся предположение), что повреждение одной части мозга действительно изменяет связи между нервными клетками по всему его объёму. Новое исследование было опубликовано в Nature Communications.
Это только кажется, что подтверждение того, что вроде бы и так подозревали – успех явно не из великих. Однако если вспомнить, что верность исследований зависит прежде всего от верности исходных данных, то сделанное открытие можно назвать фундаментальным. Ведь посудите: многие люди в силу врождённых или перенесённых болезней вынуждены мириться с физическими, когнитивными и эмоциональными нарушениями всю оставшуюся жизнь. И столь прискорбный удел обусловлен лишь тем, что для таких пациентов сегодня нет лечения – его, банально, не изобрели. В то же время, только в США, черепно-мозговую травму (ЧМТ) получают почти два миллиона человек в год, которым тоже в настоящий момент медицина может помочь далеко не так, как могла бы, если бы о работе мозга мы знали больше.
Вообще, полное понимание того, как ЧМТ изменяет перекрёстные помехи между различными клетками и областями мозга, довольно долго считалось одной из самых больших проблем нейробиологов. И неудивительно – а ну-ка, плюс пять с половиной тысяч пострадавших ежедневно!
«Нам уже давно известно, что связь между различными клетками мозга может очень сильно измениться после травмы, – говорит Роберт Хант, доктор философии, доцент анатомии и нейробиологии и директор Исследовательского центра эпилепсии Медицинской школы UCI, чья лаборатория проводила исследование, – но до сих пор мы не могли увидеть, что происходит во всем мозге».
Несмотря на фундаментальную важность понимания схемы соединений мозга, знания о том, как нейронные связи перестраиваются при черепно-мозговой травме, остаются на удивление неполными. Однако данные нового исследования могут несколько изменить ситуацию. Успешная попытка улучшить метод иммуномаркировки и объёмной визуализации больших биологических образцов, называемый iDISCO, позволяет осветить мозг лазером и создать таким образом его объёмную карту, легко воплощаемую в трёхмерном изображении посредством специализированных микроскопов.
В процессе маркировки используются растворители, призванные сделать образцы прозрачными, но несмотря на такое привычно ядовитое название – растворители – для мозга вся процедура остаётся абсолютно безвредной.
Благодаря таким усовершенствованным процессам очистки образцов, исследователи, нанеся на карту нейронные связи по всему мозгу, получили вожделенную возможность сосредоточиться на связях с тормозными нейронами. Они представляют особый интерес, поскольку предыдущие данные говорят, что эти нейроны чрезвычайно уязвимы для травм головного мозга, в результате чего нередко погибают.
Сначала рассмотрели гиппокамп – область мозга, отвечающую за обучение и память. Затем была исследована префронтальная кора – область мозга, которая работает вместе с гиппокампом, но отвечает за согласованность наших инстинктов, мыслей и действий. В обоих случаях визуализация показала, что, после черепно-мозговой травмы, тормозные нейроны получают намного больше связей с соседними нервными клетками. И это хорошо, но… увы, они теряют связи с остальным мозгом, становясь своего рода изгоями.
Чтобы поближе рассмотреть повреждённые мозговые связи, команда разработала метод изменения процедуры очистки, позволяющий исследовать мозг с помощью традиционных анатомических подходов. В исследовании использовались модели черепно-мозговых травм, наблюдаемых у мышей, и результаты оказались неожиданными: длинные отростки отдалённых нервных клеток все ещё находились в повреждённых участках мозга, но уже не образовывали связей с тормозными нейронами, словно изолируя их.
Визуализация с клеточным разрешением позволила картировать входы в тормозные нейроны в масштабах всего мозга, благодаря чему – с одной стороны – во многих областях мозга и было обнаружено превращение интернейронов в просто-напросто гипер-концентраторы локальных сетевых связей. Однако, повторимся, мало того, что они обладали теперь явно уменьшенными дальнодействующими входами, так ещё оказалось, что изменения затронули даже не повреждённые области.
Разные виды интернейронов обеспечивают баланс возбуждения и торможения в мозге. Учёные также признают их критическую важность в генерации ритмической активности, переработке сенсорной информации и синаптической пластичности, благодаря которой мы и можем надеяться на выздоровление. Однако потеря дальнодействующей информации вследствие травмы не соответствует потере клеток в отдалённых от эпицентра этой травмы областях.
«Похоже, что весь мозг тщательно перестраивается, чтобы приспособиться к повреждению, независимо от того, была ли прямая травма в этой области или нет, – объясняет Алекса Тиерно, аспирант и соавтор исследования. – Но разные части мозга, вероятно, не работают вместе так хорошо, как до травмы».
У команды возник вполне закономерный интерес к перспективе возобновления этих утерянных контактов. Что нужно сделать, чтобы вернуть тормозные нейроны в общество отдалённых областей мозга и возможно ли такое воссоединение вообще? Чтобы выяснить это, команда во главе с доктором Хантом пересадила новые интернейроны в повреждённый гиппокамп и нанесла на карту их соединения. Основанием для этого шага стало более раннее исследование группы, показавшее благотворное влияние трансплантации интернейронов на улучшение памяти и её способность остановить судороги у мышей с черепно-мозговыми травмами.
Для данной роли этот вид нервных клеток подходит как никакой другой, поскольку они получают и передают сигналы только между собратьями-нейронами. Для справки: в нервной системе множество клеток выполняют строго определённые роли. Скажем, сенсорные нейроны преобразуют воздействие окружающей среды в электрические сигналы, которые, после обработки мозгом, поступают в двигательные, отправляющие команду уже мышцам. Таким образом, сенсорные клетки дают понять мозгу, что вы обожглись, а двигательные позволяют одёрнуть руку. Но вот связь друг с другом они поддерживают именно благодаря вставочным нейронам (они же интернейроны). Плюс, в противовес проекционным нейронам, обеспечивающим взаимодействие различных участков мозга, вставочные работают «по месту» – то есть локально, в пределах одного участка мозга.
Исследование подтвердило, что пересаженные в место повреждения интернейроны получают обычные для этого места входящие сигналы: как локальные, так и дальнодействующие (ещё их называют дистантными). Это означает, что механизм установления связей последнего вида остаётся нетронутым даже после тяжёлой травмы.
Итак, новые нейроны получили соответствующие соединения со всего мозга. Этот факт намечает потенциальную стратегию поддержания и оптимизации функции торможения после черепно-мозговой травмы: похоже, что пространственная реорганизация прямых входов в тормозные нейроны действительно может помочь.
Но, хоть и велик соблазн принять на веру вывод, будто повреждённый мозг на самом деле сможет восстановить потерянные связи самостоятельно, Хант считает, что не всё так однозначно. Последствия интеграции вставочных нейронов в повреждённые мозговые цепи требует серьёзного изучения. Такая трансплантация, в долгосрочной перспективе, окажет слишком непредсказуемое влияние для того, чтобы использовать эти клетки для восстановления мозга бездумно, основываясь только на энтузиазме.
«Наше исследование является очень важным дополнением к нашему пониманию того, как ингибиторные предшественники могут однажды быть использованы терапевтически для лечения ЧМТ, эпилепсии или других заболеваний головного мозга, – говорит директор Хант. – Некоторые люди предполагают, что трансплантация интернейронов может омолаживать мозг, высвобождая неизвестные вещества для повышения врождённой регенеративной способности, но мы обнаруживаем, что новые нейроны действительно жёстко связаны с мозгом».
Автор надеется в конечном итоге разработать клеточную терапию для людей с ЧМТ и эпилепсией. В настоящее время команда UCI повторяет эксперименты с тормозными нейронами, полученными из стволовых клеток человека.
«Эта работа приближает нас на один шаг к будущей клеточной терапии для людей, – считает Хант. – Понимание видов пластичности, возникающих после травмы, поможет нам восстановить повреждённый мозг с очень высокой степенью точности. Очень важно, чтобы мы шаг за шагом продвигались к этой цели, но это требует времени».
АРМК, по материалам Science Daily.