Нейрон мозга: ФГБНУ НЦПЗ. ‹‹Общая психиатрия››

Содержание

Михаил Угрюмов. Болезни мозга: 
как спасти нейроны

Феномены
Анна Натитник

image

Болезни мозга — бич ХХI века. В мире на людей, страдающих ими, тратятся гигантские суммы — но на излечение многих из этих заболеваний надежды пока нет. В чем причина болезней мозга и каковы перспективы борьбы с ними, рассказывает вице-президент Российского физиологического общества им. И.П. Павлова, заведующий лабораториями Института биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН и НИИ нормальной физиологии им. П.К. Анохина, академик РАН, советник Президента РАН по международному научному сотрудничеству, профессор, доктор биологических наук Михаил Вениаминович Угрюмов.

Что такое болезни мозга?

Это заболевания, в основе которых лежит гибель нейронов. В зависимости от того, в какой области мозга они погибают, выключается та или иная функция мозга или организма в целом — скажем, репродуктивная.

Почему гибнут нейроны?

Причины могут быть разными. Например, острые повреждения: травмы, инсульты — в результате которых кровь изливается из сосудов и практически мгновенно начинается процесс гибели нейронов. Если быстро вмешаться и начать терапию, лечебный эффект может быть очень хорошим. В случае инсультов речь идет о 3—5 часах. Но если затянуть и оказать помощь позже, то процесс, идущий как цепная реакция, станет необратимым и захватит многие области мозга. Хуже ­всего, если этот процесс развивается в ­продолговатом мозгу, где находится дыхательный, сосудодвигательный центр, — тогда у человека останавливается дыхание, перестает работать сердце и он тут же умирает. Если процесс идет в коре, люди теряют память и возможность осознавать и воспринимать проис­ходящее.

Еще одна большая группа болезней мозга — хронические, так называемые нейродегенеративные заболевания. Они развиваются в течение многих лет — скажем, 20—30 — без каких-либо внешних проявлений. Человек чувствует себя абсолютно здоровым, но при этом у него идет патологический процесс — погибают нейроны. Вообще нейроны погибают у всех. Даже условно рассчитана скорость этой гибели — четыре процента в 10 лет. Но при нейродегенеративных заболеваниях она значительно увеличивается.

Какие болезни относятся к нейро-дегенеративным?

Их круг широк, но доминируют, безусловно, болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона. При болезни Паркинсона погибают в основном дофаминергические нейроны, находящиеся в особом отделе мозга, который называется нигростриатная система, — и у человека нарушается двигательная функция: наступает дрожание или скованность движений. Чаще всего эти симптомы со време­нем смешиваются. При болезни Альцгеймера погибают холинергические нейроны в гиппокампе и в коре, то есть нейроны, которые отвечают за память и обучение, — эти функции у человека и страдают. Еще одна болезнь, которая связана с гибелью дофаминергических нейронов, — хорея Гентингтона. Она проявляется в нарушении когнитивных и физических способностей. Существует также заболевание, поражающее людей молодого репродуктивного возраста, — гиперпролактинемия. В этом случае гибель нейронов приводит к торможению репродуктивной функции и бесплодию. Если эту болезнь запустить, она переходит в необратимую стадию — развивается опухоль гипофиза. С гибелью нейронов также связана депрессия. Все начинается с обратимой функциональной стадии (ухудшение настроения, чувство тревоги, высокая утомляемость), но потом переходит на уровень органических изменений.

Почему при нейродегенеративных заболеваниях гибель нейронов так долго не дает о себе знать?

Потому что мозг чрезвычайно пластичен, у него колоссальные компенсаторные возможности. Вообще говоря, эти возможности есть у всех органов, но в могзе они проявляются в наибольшей степени, поскольку с точки зрения эволюции это одна из наиболее важных структур. Поэтому когда симптомы заболевания наконец появляются, это, с одной стороны, говорит о том, что компенсаторные механизмы себя исчерпали, а с другой — что количество погибших нейронов достигло порогового уровня. Этот порог рассчитан только для болезни Паркинсона: если дофамин теряется на 70—80 процентов, у человека сразу нарушается двигательная функция.

Приведите, пожалуйста, 
примеры компенсаторных 
механизмов.

При болезни Паркинсона, как я говорил, погибают нейроны, синтезирующие дофамин, — вещество, которое определяет взаимодействие (химические сигналы) между нейронами. Погибают не все нейроны, и те, которые сохраняются, активизируются, стараются производить больше сигналов. Но рано или поздно количество этих химических сигналов снижается: гибель нейронов — процесс необратимый. И тогда на первый план выходит другая группа компенсаторных механизмов — нейроны, получающие сигналы, становятся более чувствительными и «слышат» даже те нейроны, которые генерируют сигнал на очень низком уровне, то есть «тихо говорят».

Каковы причины нейродегенеративных заболеваний?

В подавляющем большинстве случаев они не известны. Еще лет десять назад ученые надеялись, что нейро­дегенеративные заболевания — моногенные, то есть за их развитие отвечает какой-то один ген. В этом случае было бы несложно наладить диагностику и лечение — нужно было бы только найти этот ген. Но оказалось, что у подавляющего большинства больных нарушены функции очень многих генов, поэтому эти заболевания из моногенных перешли в разряд полигенных.

Еще одна особенность: если раньше считали, что заболевание развивается в результате гибели только одной группы нейронов — в строго определенной области мозга, то оказалось, что это системное заболевание, которое распространяется на многие отделы мозга, на периферическую нервную систему, на внутренние органы. Но ключевая симптоматика, от которой по-настоящему страдает больной, ­действительно зависит от какой-то определенной группы клеток.

Существует ли наследственная предрасположенность к этим заболеваниям?

Существует, но речь идет об очень небольшом проценте больных — не больше трех. Есть семейные формы — они проявляются у людей уже в молодом возрасте, в 25—30 лет. Но в целом это не фатальные заболевания: если болеют родители, совершенно не обязательно заболеют дети.

Какой процент населения в России и в мире болеет нейродегенеративными заболеваниями?

Количество заболевших возрастает среди людей старше 60 лет. Если говорить о болезни Паркинсона, то среди 60-летних — это один процент, потом, к 70 годам, доходит до пяти процентов. Болезнь Альцгеймера с возрастом распространяется еще быстрее. В 60 лет — это процента три, в 70—75 лет — 15—20 процентов. Это мировая статистика. Наши цифры по заболеваемости надо принимать с большой осторожностью. Считается, что в России полтора миллиона больных болезнью Альцгеймера, 300 тысяч — болезнью Паркинсона. Но в России плохо поставлена диагностика: в сельской местности люди вообще не проходят амбулаторных обследований. Поэтому, чтобы понять общие тенденции, надо обращаться к американскому и европейскому опыту.

Какое место эти болезни занимают по распространенности?

Сейчас неврологические и психические заболевания занимают третье место после сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний. Однако по прогнозам Всемирной организации здравоохранения, буквально через десять лет они выйдут на первое место.

Почему?

Число больных нейродегенеративными заболеваниями каждые десять лет увеличивается в разы. Это катастрофа. Тому есть три причины — две из них можно понять, третью — нет. Первая — это заболевания пожилого возраста: чем человек старше, тем больше вероятность, что гибель нейронов достигнет у него порогового уровня. А поскольку продолжительность жизни в мире резко увеличилась, растет и количество пожилых людей. Хотя к нам это не относится: у нас продолжительность жизни лет на 15 меньше, чем в Европе, и намного меньше, чем в Японии. Вторая причина — загрязнение окружающей среды. Из-за этого возникает, например, паркинсонизм — примерно то же самое, что болезнь Паркинсона. Скажем, на вредном производстве тяжелые металлы попадают в мозг через носовые ходы и вызывают гибель нейронов. Кроме того, статистика Всемирной организации здравоохранения и Общества по борьбе с болезнью Альцгеймера показывает, что число больных быстрее всего растет в развивающихся странах. Почему — не понятно: продолжительность жизни там низкая, значит, должно быть меньше больных. Возможно, причина в загрязнении окружающей среды — в этих странах мало внимания уделяют экологии. Третий фактор объяснить невозможно — идет омоложение заболевания: люди начинают болеть в более молодом возрасте.

советуем прочитать

Юлия Фуколова

Андрей Скорочкин

Войдите на сайт, чтобы читать полную версию статьи

Нейробиологи открыли новый класс клеток памяти в головном мозге

Ученые из Университета Рокфеллер (США) выявили класс нейронов в области височной доли мозга, которые связывают наше восприятие чужого лица с долговременной памятью. Определенная группа клеток помогает нам запоминать лица других людей и узнавать их, сообщает пресс-служба Университета Рокфеллер. Результаты исследования опубликованы в журнале Science

К своему открытию исследователи пришли, заметив, что небольшой участок в области височной доли мозга может участвовать в распознавании лиц. Команда использовала функциональную магнитно-резонансную томографию, чтобы увеличить изображение области височных долей двух макак-резусов и записала электрические сигналы нейронов в этой области, когда макаки смотрели на изображения знакомых лиц, которые они встречали лично, и незнакомых лиц, которые они видели только виртуально, на экране.

Команда обнаружила, что нейроны были очень избирательными: они реагировали на лица, которые испытуемые видели раньше, сильнее, чем на незнакомые. И нейроны работали быстро, различая известные и неизвестные лица сразу после того, как мозг обработал изображение.

Интересно, что эти клетки в три раза сильнее реагировали на знакомые лица по сравнению с незнакомыми, хотя испытуемые на самом деле видели незнакомые лица много раз на экранах. «Это может указывать на важность личного знакомства, – говорит нейробиолог София Ланди, один из ведущих авторов исследования. – Учитывая нынешнюю тенденцию к виртуализации, важно отметить, что лица, которые мы видели на экране, могут не вызывать такую ​​же нейронную активность, как лица людей, с которыми мы встречаемся лично».

Полученные данные представляют собой первое свидетельство гибридной клетки мозга, мало чем отличающейся от легендарного «нейрона бабушки», который помогает нам «вычислить» нашу бабушку по запаху, по голосу, по профилю лица или, например, со спины. Идея «бабушкиного нейрона» впервые возникла в 1960-х годах и объединила в себе сложную концепцию: один нейрон для воспоминаний о бабушке, другой для воспоминаний о матери и так далее. По сути, понятие соотношения один к одному между клетками мозга и объектами или концепциями было попыткой разгадать загадку о том, как мозг сочетает то, что мы видим, с нашими долгосрочными воспоминаниями.

Тем не менее, недавно обнаруженный тип клеток, строго говоря, не относится к «бабушкиным нейронам». В данном случае не отдельная клетка запоминает каждое знакомое лицо, а целая группа клеток работает согласованно.

Клетки области височной доли ведут себя как сенсорные клетки, быстро отвечая на зрительные стимулы. Но они также действуют как клетки памяти, которые реагируют только на стимулы, которые мозг видел раньше – в данном случае, на знакомых людей, – отражая изменения в мозге в результате прошлых встреч.

Благодаря этому открытию исследователи смогут изучать, как эти клетки кодируют информацию о знакомых лицах. А также выяснить, как эта область связана с другими частями мозга и что происходит, когда мы видим новое лицо. В будущем результаты могут иметь клиническое значение для людей, страдающих прозопагнозией, расстройством, при котором человек не может узнавать лица. 

[Фото: SOFIA LANDI]

Бразильские ученые заподозрили коронавирус в уничтожении нейронов мозга у заболевших

Коронавирусная инфекция приводит к гибели нейронов коры головного мозга и может стать причиной таких заболеваний, как болезни Альцгеймера и Паркинсона и шизофрения. Об этом сообщил портал G-1 со ссылкой на данные исследования бразильских ученых, опубликованные в электронной научной библиотеке  medRxiv. Ученые пришли к выводу, что поражения нейронов мозга происходят не только у тяжело больных пациентов с коронавирусом, но и у тех, кто перенес заболевание в легкой и средней форме.

Исследование, проведенное группой из более чем 70 бразильских исследователей, показало, что новый коронавирус воздействует на мозг человека, вызывая гибель нейронов, даже у  пациентов с COVID-19, которые не нуждались в госпитализации, пишет бразильское издание. В научной работе приняли участие исследователи госуниверситета Кампинас (Unicamp), университета Сан-Паулу (USP), федерального университета Рио-де-Жанейро (UFRJ), Национальной лаборатории биологических наук (LNBio) и частного научного института D’Or.

Ученые обнаружили связываемый с COVID-19 новый синдром

Реклама на Forbes

«В случае тяжелых пациентов, смерть нейронов является ожидаемой, поскольку у них низкий уровень насыщения крови кислородом, а это очень вредит мозгу. Но когда столь серьезные изменения выявляются у того, кто переболел в легкой или средней форме, это уже вызывает обеспокоенность», — цитирует издание одного из кураторов исследования Даниэла Мартинса-ди-Соузы из Unicamp.  По данным исследователей вирус поражает астроциты — клетки, отвечающие за связь между нейронами и за их питание. Это в свою очередь приводит к существенным изменениям в коре головного мозга, вплоть до атрофии отдельных областей, с работой которых связаны изменения настроения. Как отмечает издание, именно этот симптом наиболее часто наблюдался у исследовавшейся группы пациентов.

В Центре Гамалеи назвали самую большую ошибку заразившихся COVID-19

«Мы столкнулись со множеством пациентов, которые даже излечившись от COVID-19 около двух месяцев назад, по прежнему имеют симптомы неврологических нарушений: головная боль, чрезмерная сонливость, ухудшение памяти, потеря вкуса и обоняния. В некоторых, редких, случаях наблюдаются судороги, хотя раньше у этих людей такого не было», — рассказала невролог Кларисса Лин Ясуда из Unicamp. «Чего мы пока не знаем, так это насколько серьезны такие повреждения, временны они или необратимы. Поэтому мы будем наблюдать за нашими пациентами на протяжении как минимум ближайших трех лет, чтобы понять приводит ли вирус к развитию дегенеративных заболеваний у тех, кто имеет к ним генетическую предрасположенность», — объяснила она. По словам Ясуда, у науки есть основания полагать, что коронавирус может активировать генетические заболеваний, такие, как шизофрения, болезнь Паркинсона и Альцгеймера. «Понимая, как вирус изменяет клетки, мы можем начать думать, как использовать нужные лекарства», — добавил Мартинс-ди-Соуза.

Фото MARTIN DIVISEK / EPA / ТАСС

Страны, которые ошиблись: кто возвращает карантинные меры из-за нового скачка заражений COVID-19

8 фото

Регенерация нейронов. Генно-инженерный подход будущего / Хабр

Эта статья продолжает серию статей о глубокой модификации ДНК в недалёком будущем для решения серьёзных проблем человечества. Первая статья — тут.

TL;DR:  Все программисты знают, что есть масса способов решить одну и ту же задачу.  То же самое скоро будет и в биоинформатике: есть тысячи способов изменить геном так, чтобы получился новый «сложный признак». ДНК-код так же пластичен и универсален как и компьютерный код. Одним из первых применений “перепрограммирования на уровне ДНК” может стать способность нейронов восстанавливать свою функцию после повреждения (разрыва аксона), что позволит десяткам тысяч парализованных инвалидов-колясочников в буквальном смысле встать на ноги. При этом, как и в случае с привычным нам компьютерным кодом, добиться решения задачи можно несколькими способами — некоторые из которых — такие, как многоядерные нейроны, сращение синапсов на дендритных деревьях, активизация макрофагов для сращения — будут рассмотрены ниже, в данной статье.

Обсудим перспективы того, как применение генно-инженерных технологий  в практической медицине  недалекого будущего сможет оградить людей  от парезов и параличей. Вначале — неутешительный взгляд на то, что мы имеем сегодня.

Только в США, где имеется подробная статистика и достаточно современная система оказания медицинской помощи, насчитываются десятки тысяч “инвалидов-колясочников”. 

Многие из них имеют “отключенные ноги” — из-за механического поперечного разрыва спинного мозга.  Современная нейрохирургия добилась успехов за счет того, что на одно полное повреждение — механический полный разрыв спинного мозга — приходилось десять, а то и больше сдавлений спинного мозга,  которые приводили к последующей гибели фрагмента мозга за счет нарушения кровоснабжения. Поэтому при быстром оказании помощи, пока еще не все нейроны погибли от недостатка кровоснабжения, сдавления спинного мозга можно лечить.

Представим, что спинной мозг — это жгут из проводов, содержимое бетонной кабельной шахты, в центре которой  ещё и серверные стойки. И при травме обломки этого короба деформируют, натягивают часть кабелей и плотно забивают промежутки, затрудняя теплоотвод, а где-то перебивают токоподающие провода (сосуды).  

Строители — ремонтники  (нейрохирурги) научились в случае аварии восстанавливать функции опоры —  эти бетонные (костные)  стенки — удалять осколки позвонков,  соединять их,  восстанавливать медные провода электроснабжения.  А вот соединение прерванного оптоволокна (нервов) — это до сих пор нерешённая  задача.

Другое дело, что починка “стенок шахты” в первые часы или даже сутки после травмы оказывалась эффективна в девяти случаях травм из десяти.  Но в оставшихся случаях механического разрыва спинного мозга или периферического нерва прогноз,  несмотря на повышение уровня  хирургической техники, остаётся неутешительным. 

Добиться сколько-нибудь функционально удовлетворительного сращения спинного мозга после механического разрыва у людей не удалось пока никому, хотя получить модель для проверки на опытных животных просто, а задача эта столь актуальна и очевидна, что постоянно идет информационный шум о том, что вот-вот произойдет прорыв. Однако достоверно воспроизводимых “вау-результатов” как не было, так и нет. 

Современное состояние проблемы в области сращивания спинного мозга

Предлагается также подход по сращению повреждённого спинного мозга и нервов при помощи так называемых фьюзогенов (от fusion — слияние). Это — составы, обычно гелеобразные (на основе хитозана или полиэтиленгликоля), которые заполняют место повреждения, как бы «склеивая» концы раны. Предположительно, действие фьюзогенов обусловлено 3 механизмами: предотвращение роста соединительной ткани (рубца, который делает невозможным дальнейший рост нервов), подавление воспаления и апоптоза здоровых нейронов, соседних с повреждёнными, и повышение частоты прямого слияния перерезанных

НЕЙРОМОРФОЛОГИЧЕСКИЕ КОРРЕЛЯТЫ МОЩНОСТИ ДОЗЫ РАДИАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ | Ушаков

1. Алексанин С.С. Патогенетические закономерности формирования соматической патологии после радиационных аварий в отдаленном периоде // Вестн. Рос. Воен.-мед. акад. 2008. № 3 (23). Прилож. С. 10–13.

2. Гуськова А.К. Радиация и мозг человека // Мед. радиология и радиац. безопасность. 2001. Т. 46, № 5. С. 47–55.

3. Никифоров А.М., Алексанин С.С., Чугунова Л.Н. Особенности психологического статуса и медико-психологическая реабилитация участников аварийно-восстановительных работ на ЧАЭС // Мед. радиология и радиац. безопасность. 2002. Т. 47, № 5. С. 43–50.

4. Российский Национальный доклад 25 лет Чернобыльской аварии: итоги и перспективы преодоления ее последствий в России, 1986–2011 / под общ. ред. С.К. Шойгу, Л.А. Большова. М., 2011. 160 с.

5. Сгибнева Н.В., Федоров В.П. Морфофункциональное состояние сенсомоторной коры после малых радиационных воздействий. Воронеж: Науч. книга, 2013. 256 с.

6. Торубаров Ф.С., Кулешова М.В., Лукьянова С.Н., Зверева З.В. Спектрально-корреляционный анализ ЭЭГ у ликвидаторов аварии на ЧАЭС с неврологическими нарушениями // Мед. радиология и радиац. безопасность. 2019. Т. 64, № 3. С. 40–45.

7. Ушаков И.Б., Арлащенко Н.И., Солдатов С.К., Попов В.И. Экология человека после Чернобыльской катастрофы: радиационный экологический стресс и здоровье человека. М.: Воронеж: Изд-во ВГУ, 2001. 723 с.

8. Ушаков И.Б., Федоров В.П., Гундарова О.П. [и др.]. Нейроморфологические корреляты малых радиационных воздействий // Мед.-биол. и соц.-психол. пробл. безопасности в чрезв. ситуациях. 2016. № 1. С. 71–78.

9. Ушаков И.Б., Федоров В.П. Воздействие факторов Чернобыльской аварии на психоневрологический статус ликвидаторов-вертолетчиков // Мед. радиология и радиац. безопасность. 2018. Т. 63, № 4. С. 22–32.

10. Ушаков И.Б., Федоров В.П. Нейроморфологические корреляты пролонгированных радиационных воздействий // Мед.-биол. и соц.-психол. пробл. безопасности в чрезв. ситуациях. 2018. № 3. С. 86–97.

11. Шамрей В.К., Чистякова Е.И., Матыщина Е.Н. [и др.]. Радиационная психосоматическая болезнь у ликвидаторов последствий аварии на Чернобыльской АЭС // Мед.-биол. и соц.-психол. пробл. безопасности в чрезв. ситуациях. 2016. № 1. С. 21–33.

как мозг ориентируется в пространстве — Моноклер

Рубрики : TED Talks, Лекции, Нейронаука


Любите «Моноклер»? Поддержите то, что мы делаем, оформив ежемесячный платеж на Patreon или сделав разовый донат:


Нейробиолог Нил Берджесс рассказывает, как мозг ориентируется в пространстве, какую роль в этой работе игают «нейроны места» и «нейроны решетки» и как «внутренний GPS» помогает нам строить не только карту местности, но и карту воспоминаний нашей жизни.

Как вы запоминаете, где именно припарковали машину? Почему вы уверены, что двигаетесь в нужном направлении? Какие механизмы помогают вам детально вспоминать события из своей жизни?

Вопрос, как устроена система, позволяющая мозгу ориентироваться в пространстве, волновал биологов и философов на протяжении многих лет. Это сподвигло в первой половине XX века психолога Эдварда Толмана предположить, что в нашем мозге существует некая «когнитивная карта» — спроецированная на нервные клетки местность, в которой перемещается субъект. Для своего времени это было весьма смелое предположение, которое не могло быть проверено технически. Однако исследоваания второй половины столетия сумели подтвердить догадки учёного: так, в 1971 году американский нейробиолог Джон О’Киф, изучающий крыс, открыл особые «нейроны места» — нейроны гиппокампа, отвечающие за запоминание разных мест и путей: они срабатывали в тот момент, когда крыса пробегала через определенный участок лабиринта (например, один нейрон — для развилки, другой — для поворота, третий — для тупика). Дальнейшие исследования подтвердили предположение, что в гиппокампе хранится множество нейронных карт, благодаря которым мы легко ориентируемся на знакомой местности. Так, в 2005 году супруги Эдвард Мозер и Мэй-Бритт Мозер из Института нейрофизиологии и Центра биологии памяти при Норвежском университете естественных наук и технологии сумели открыть ещё один вид нейронов, связанных с ориентацией в пространстве — grid-нейроны («нейроны решетки»), которые разбивают пространство на шестиугольники, создавая тем самым нечто вроде координатной сетки, в котрой мозг размещает своего носителя и все видимые объекты. За свои открытия О’Киф и Мозеры получили в 2014 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

В своём коротком выступлении на образовательной площадке TED нейробиолог Нил Берджесс, который занимается изучением нервных механизмов, отображающих пространство вокруг нас, и их связи с памятью и воображением, очень сжато и доступно рассказал об исследованиях в этой области: как работает пространственная память, какую роль в этой работе игают «нейроны места» и «нейроны решетки» и как решётчатая активность мозга помогает нам строить не только карту местности, но и карту воспоминаний нашей жизни.

«Как нейрон места понимает, где именно находится крыса или человек? Эти два нейрона показывают, что границы пространства очень важны. Нейрону сверху нравится реагировать на полпути от стен коробки, в которой находится крыса. Чем больше коробка, тем шире активное пространство нейрона. Нейрону снизу нравится реагировать поблизости от стены на юге. И если поместить ещё одну стену в коробку, нейрон реагирует оба раза при приближении животного к стене на юге. Поэтому можно предположить, что ощущение расстояний и направление границ вокруг, в огромных зданиях и т.д., особенно важно для гиппокампа. Нейроны на входе гиппокампа передают ему информацию, реагируя непосредственно на выявление границ или углов в направлении или на местности, которую исследует крыса или мышь».

Источник: Ted.com.

Обложка: Public-domain-image.com.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Похожие статьи

Иммуногистохимическая характеристика нейронов черного вещества головного мозга человека

Черная субстанция (ЧС) — это структура среднего мозга, дофаминергические нейроны которой проецируются на полосатое тело и организуют дофаминергический нигростриарный путь [1], играющий важную роль в регуляции движений. Повреждение нигральных дофаминергических нейронов ведет к развитию синдрома паркинсонизма и является основной причиной болезни Паркинсона (БП) [2]. Установление связи между гибелью нейронов ЧС и развитием БП послужило основанием для детального изучения нейродегенерации катехоламинергических нейронов у человека и животных, в том числе с использованием экспериментальных биологических моделей [3—5]. Несмотря на открытие ряда важных звеньев патогенеза заболевания, до настоящего времени остаются неустановленными причины избирательной дегенерации дофаминергических нейронов ЧС и соответственно этиология большинства случаев БП [6]. Подобная ситуация свидетельствует о необходимости поиска новых подходов для раннего выявления нейродегенерации, определения молекулярных и клеточных механизмов избирательного повреждения компонентов нигростриарной дофаминергической системы, что невозможно без детального анализа нейрохимической организации соответствующих структур мозга человека.

Наиболее вероятно, что повышенная чувствительность дофаминергических нигральных нейронов к повреждающему фактору (факторы) обусловлена их цитохимическими особенностями. Известно, что дофаминергические нейроны синтезируют дофамин из аминокислоты тирозина в результате двух последовательных этапов ферментативного синтеза: L-тирозин → L-3,4-диоксифенилаланин (L-ДОФА) → дофамин. Реакцией, лимитирующей скорость синтеза дофамина, является гидроксилирование тирозина до L-ДОФА тирозингидроксилазой (ТГ), поэтому данный фермент считается маркером дофаминергических (и в целом катехоламинергических) нейронов. Для дофаминергических нейронов ЧС характерно наличие пигмента нейромеланина [7] — сложного комплекса разнообразных макромолекул, происхождение которого связывают с полимеризацией продуктов окисления дофамина [7, 8]. Нейромеланин обнаруживается в цитоплазме большинства, но не всех нигральных дофаминергических нейронов [9]. При помощи постановки иммуногистохимической реакции на кальбиндин в ЧС мозга человека были выделены две функциональные зоны — кальбиндиниммунопозитивный матрикс и кальбиндиниммунонегативные группы нейронов — нигросомы [10]. Основным источником кальбиндиновых волокон нейропиля в матриксе ЧС являются шипиковые проекционные нейроны, расположенные в полосатом теле [11]. В области нигросом такие волокна отсутствуют. В нигросомах расположено около 40% дофаминергических нейронов компактной зоны ЧС, тогда как 60% — локализовано в матриксе. Имеются данные, что именно нейроны в нигросомах погибают при БП в первую очередь [12]. Несмотря на значительный прогресс в накоплении знаний о структуре и функциях ЧС, а также ее роли в патогенезе БП, картина молекулярной структуры нигральных дофаминергических нейронов требует изучения [13]. В первую очередь это касается молекулярной анатомии ЧС головного мозга человека.

В настоящем исследовании был использован комплексный иммуногистохимический подход, позволяющий эффективно определять различные антигены в нервных клетках и обеспечивающий высокую сохранность изучаемых цитологических структур [14].

Цель исследования — определение цитохимических характеристик структурно не измененных нейронов ЧС головного мозга человека с использованием широкого спектра иммуноцитохимических маркеров, часть из которых (глутаматдекарбоксилаза-65, PGP 9.5, нефосфорилированные белки нейрофиламентов, α-тубулин) ранее не использовалась при изучении дофаминергических нейронов человека.

Материал и методы

В работе использованы фрагменты среднего мозга человека (17 мужчин и женщин в возрасте от 28 до 78 лет, причина смерти которых не была связана с заболеваниями и повреждениями головного мозга). Материал получен из архива отдела общей и частной морфологии Института экспериментальной медицины. Программа исследований была одобрена Локальным этическим комитетом ФГБНУ ИЭМ. Исходный материал фиксировали в цинк-этанол-формальдегиде и этаноле, после чего заливали в парафин. Из парафиновых блоков изготавливали срезы толщиной 5 и 7 мкм на санном (Leica SM 2000R) и ротационном (Leica RM 2125RT) микротомах. Готовые срезы наклеивали на предметные стекла с адгезивным покрытием («Histobond» и «Polysine», Германия). Часть полученных препаратов окрашивали классическими нейрогистологическими методами: толуидиновым синим по Нисслю, люксолевым прочным синим по Клюверу—Баррере. Другую часть использовали для проведения иммуноцитохимических реакций. Описание использованных первичных антител приведено в таблице. Для выявления связанных с изучаемыми маркерами кроличьих и мышиных первичных антител использовали наборы MACh3-Universal HRP-Polymer («Biocare Medical», США), EnVision+ System Labelled Polymer-HRP Anti-Mouse («Dako», Дания), Reveal Polyvalent HRP DAB Detection System («Spring Bioscience», США). Для определения связавшихся с тканевыми антигенами козьих первичных антител использовали последовательно антикозьи биотинилированные антитела («Dako», Дания) и стрептавидин, конъюгированный с пероксидазой (Str/HRP; «Spring Bioscience», США). Пероксидазную метку выявляли с использованием диаминобензидинового хромагена (DAB+; «Dako», Дания).

Описаниеиспользованныхантител

Перед постановкой иммуноцитохимических реакций для улучшения иммунореактивности выявляемых антигенов проводили тепловое демаскирование в модифицированном цитратном буфере pH 6,1 (S1700; «Dako», Дания). После постановки иммуноцитохимических реакций часть срезов подкрашивали 0,5% водным раствором крезилового фиолетового («Sigma Aldrich», США) или квасцовым гематоксилином Джилла («БиоВитрум», Россия). Контрольные иммуноцитохимические реакции были проведены с учетом рекомендаций производителей реагентов.

Изучение полученных препаратов и фотосъемку выполняли при помощи микроскопа Leica DM750 и цифровой фотокамеры ICC50 («Leica», Германия). Для анализа полученных изображений использовали программу LAS EZ («Leica», Германия).

Результаты и обсуждение

При использовании обзорных нейрогистологических окрасок была проведена верификация пригодности исследуемого материала для настоящего исследования. На этом этапе были исключены из дальнейшего анализа 2 случая, в которых была обнаружена распространенная нейродегенерация. Среди включенных в дальнейший анализ случаев встречались такие, где в отдельных нейронах были выявлены слабоокрашенные внутриядерные тельца — тельца Маринеско. Согласно преобладающему мнению [15], их появление не является облигатным признаком нейродегенерации, а служит показателем возрастных изменений дофаминергических нейронов.

При проведении иммуноцитохимической реакции на ТГ в ЧС наблюдаются нейроны с разной иммунореактивностью. В большинстве крупных и мелких нейронов выявляется интенсивная цитоплазматическая реакция на этот фермент. Она наблюдается и в нейропиле в многочисленных отростках нейронов (см. рисунок, а). Помимо большинства ТГ-иммунопозитивных нейронов с интенсивной реакцией, встречаются также нейроны со сниженной иммунореактивностью к ТГ и редкие — с цитоплазматическими скоплениями нейромеланина, не содержащие ТГ.

Цитохимические особенности нейронов черного вещества головного мозга человека. Иммуноцитохимическая реакция на: тирозингидроксилазу (а), глутаматдекарбоксилазу (б), NO-синтазу (в), кальретинин (г), синаптофизин (д), альфа-тубулин (е), белок PGP 9.5 (ж), белки нейрофиламентов с антителами SMI-32 (з), белок Iba-1 (и), убиквитин (к). Подкраска квасцовым гематоксилином Джилла (а—е, з, и), крезиловым фиолетовым (ж, к). Стрелки указывают на внутриядерное убиквитин-иммунопозитивное тельце.

Изучение экспрессии холинацетилтрансферазы (ХАТ) показало, что содержащие нейромеланин нейроны ЧС являются ХАТ-иммунонегативными. Группы холинергических нервных волокон встречаются в ретикулярной части ЧС. В ее компактной части обнаруживаются единичные изолированные тонкие нервные волокна. В пограничной зоне дорсальной части ЧС присутствуют единичные не содержащие нейромеланин холинергические нейроны.

При проведении реакции на глутаматдекарбоксилазу (GAD65), являющуюся маркерным ферментом ГАМКергических нейронов, обнаружено, что все нейроны ЧС были иммунонегативны. При этом по периферии перикарионов нейронов и вдоль профилей крупных отростков нейропиля определялись многочисленные иммунопозитивные мелкие гранулярные структуры (см. рисунок, б), которые по расположению соответствовали крупным ГАМКергическим синаптическим терминалям. Значительное скопление этих структур присутствовало в компактной и еще более — в ретикулярной частях Ч.С. Учитывая анатомические связи ЧС, можно полагать, что выявляемые структуры являются терминалями проекционных ГАМКергических нейронов стриатума.

Иммуноцитохимическая реакция на NO-синтазу позволила выявить слабую положительную реакцию в цитоплазме нейронов ЧС (см. рисунок, в), которая определяется, несмотря на присутствие в клетках гранул меланина. Нейропиль также слабо иммунореактивен к NO-синтазе. В нем наблюдались отдельные профили отростков, дающие более интенсивную реакцию на NO-синтазу.

При изучении экспрессии ядерного белка NeuN было установлено, что позитивная реакция на него определялась лишь в части ядер нейронов Ч.С. При этом реакция в иммунопозитивных ядрах характеризовалась слабой выраженностью. В нейропиле положительная реакция на данный белок отсутствовала.

Нейромеланинсодержащие нейроны ЧС в подавляющем большинстве кальбиндин не содержали. Однако в дорсальной части ЧС встречались единичные нейроны, дающие умеренно интенсивную реакцию на него. В этой же зоне в нейропиле наблюдалась высокая концентрация иммунореактивных отростков нейронов. Нейропиль ретикулярной части ЧС умеренно иммунореактивен к кальбиндину. Вокруг компактных скоплений нейромеланинсодержащих нейронов наблюдалось понижение реакции нейропиля на кальбиндин, что позволяет идентифицировать такие скопления нейронов как описанные ранее особые функциональные группы — нигросомы [10].

Изучение экспрессии кальретинина показало, что нейроны ЧС являются преимущественно кальретининиммунонегативными. Однако в ретикулярной части ЧС встречались единичные иммунопозитивные к кальретинину нейроны, в которых нейромеланин отсутствовал (см. рисунок, г).

Большинство содержащих нейромеланин нейронов ЧС проявляло положительную цитоплазматическую реакцию на нейронспецифическую енолазу (NSE), различающуюся по интенсивности от слабой до умеренной. При этом в не содержащих нейромеланин нейронах этой области реакция на NSE, как правило, более интенсивная. Нейропиль содержал окрашенные профили отростков нейронов.

При проведении иммуноцитохимической реакции на синаптофизин тела клеток ЧС обычно не окрашены. При этом в нейропиле выявлялись интенсивно окрашенные зернистые структуры, расположенные вдоль контуров нейронов и их отростков (см. рисунок, д). Наиболее выраженной данная реакция была в гранулярных структурах ретикулярной части ЧС. В области проводящих путей реакция отсутствовала.

При проведении иммуноцитохимической реакции на α-тубулин обнаружилась средней интенсивности реакция в виде равномерного окрашивания свободной от нейромеланина цитоплазмы нейронов ЧС (см. рисунок). При этом интенсивность иммуноцитохимической реакции в отростках нейронов оказалась выше, чем в области перикариона. Наибольшая интенсивность иммунореактивности наблюдалась в нейропиле ЧС в крупных отростках.

При проведении иммуноцитохимической реакции на белок PGP 9.5 обнаружено, что большинство нейронов ЧС являются иммунонегативными. Однако в некоторых нигральных нейронах наблюдалась средней интенсивности цитоплазматическая реакция, отчетливо отграниченная от локального скопления гранул нейромеланина (см. рисунок, ж). В их ядрах также выявлялась умеренно позитивная реакция, связанная с хроматином. В нейропиле наблюдались окрашенные профили отдельных отростков.

При проведении иммуноцитохимической реакции на белки нейрофиламентов при постановке реакции с моноклональными антителами SMI-32 определялась интенсивная цитоплазматическая реакция в большей части нейронов ЧС. В цитоплазме клеток выявлялись нечетко ограниченные пучки нейрофибрилл (см. рисунок, з). В нейропиле окрашивались многочисленные отростки нейронов, из них более крупные — интенсивнее. При постановке реакции с моноклональными антителами 2F11 подавляющее большинство (до 95%) нейронов ЧС были иммунонегативными. При этом реакция в нейропиле была сходной с получаемой при реакции с антителами SMI-32. Подобное различие в результатах использования разных клонов антител, вероятно, связано с различием в белках нейрофиламентов, которые ими выявляются. Так, антитела SMI-32 реагируют с нефосфорилированными «тяжелыми» (200 кД) белками нейрофиламентов, тогда как антитела 2F11 — с фосфорилированной формой их «легких» (70 кД) белков.

При постановке реакции на микроглиальный белок Iba-1 вокруг иммунонегативных нейронов ЧС и в нейропиле определялись многочисленные разветвленные тонкие отростки микроглиоцитов (см. рисунок, и). Иногда в плоскость среза попадали и их перинуклеарные участки. В этом случае было заметно, что белок Iba-1 распределен в клетке неравномерно. Перинуклеарные участки обычно окрашены слабее отростков, однако в области расположения ядра микроглиоцита реакция несколько интенсифицируется. В нейронах белок Iba-1 не определялся.

Иммуноцитохимическая реакция позволила выявить преимущественное накопление синуклеина в волокнах ретикулярной части Ч.С. Слабая иммунопозитивная реакция в виде равномерного окрашивания обнаруживалась также в цитоплазме единичных нигральных нейронов. В исследованном материале не было обнаружено цитоплазматических агрегатов синуклеина.

Анализ препаратов после проведения иммуноцитохимической реакции на убиквитин показал, что нейроны ЧС головного мозга человека в основном являются убиквитиниммунонегативными. В единичных нейронах были обнаружены убиквитинпозитивные внутриядерные тельца (см. рисунок, к), которые по размерам и расположению соответствовали тельцам Маринеско. Было отмечено, что у лиц старше 50 лет число нейронов ЧС, содержащих убиквитиниммунопозитивные тельца, увеличивалось. Эти данные в целом согласуются с мнением [15] о преимущественном появлении телец Маринеско в нейронах у пожилых. Подкраска препаратов крезиловым фиолетовым позволяет отличить убиквитиниммунопозитивные тельца Маринеско от ядрышек. Количество телец Маринеско в пределах ядер нейронов ЧС варьирует от 1 до 6, однако чаще всего встречаются нейроны с 1—2 внутриядерными убиквитиниммунопозитивными тельцами.

Полученные данные позволили обнаружить ряд нейрохимических особенностей ЧС головного мозга человека, выделяющих это образование среди других структур мозга. Наиболее интересные данные получены при изучении паннейрональных маркеров. В отличие от подавляющего большинства нейронов головного мозга основная часть нейронов ЧС не экспрессирует ядерный белок нейронов NeuN, который является наиболее известным маркером нервных клеток [16]. Другой нейрональный маркер — NSE выявляется в нигральных нейронах, однако, что характерно, в нейромеланинсодержащих клетках — слабее, чем в других нейронах. Не характерна для нейронов ЧС и выраженная реакция на нейрональный белок PGP 9.5. Эти данные свидетельствуют о сниженной экспрессии общенейрональных белков в дофаминергических нейронах, что может быть связано со слабой устойчивостью клеток ЧС к действию повреждающих факторов.

Что касается нейромедиаторной специфичности нейронов ЧС, то в компактной части преобладают дофаминергические, что соответствует общему мнению [17]. Однако, как показывает проведенное исследование, в substantia nigra pars compacta имеются отдельные нейроны, не содержащие ТГ (т.е. недофаминергические, или утратившие способность синтезировать дофамин). Наши данные свидетельствуют, что среди нигральных нейронов изредка встречаются холинергические (ХАТ-содержащие) нервные клетки, преимущественно в дорсальной части pars compacta. Анализ данных литературы показал, что ранее в ЧС человека холинергические нейроны описаны не были. Только в ЧС крысы были выявлены [18] отдельные холинергические нейроны, однако функции их остаются неизвестными. Нами показано, что по крайней мере в части нейронов ЧС обнаружена NO-синтаза. Несмотря на присутствие GAD65-иммунореактивности, ГАМКергические нейроны в ЧС мозга человека обнаружены не были.

Иммуноцитохимическое выявление синаптофизина позволило установить картину распределения синаптических окончаний на меланинсодержащих (дофаминергические) нейронах ЧС, соответствующую представленным ранее ультраструктурным данным [19]. Интересно, что распределение реакции на синаптофизин и глутаматдекарбоксилазу в ЧС мозга человека сходно. Это свидетельствует в пользу того, что основная часть афферентов ЧС происходит от ГАМКергических нейронов стриатума (а, возможно, и других областей мозга).

В проведенном исследовании впервые было описано распределение белка микротрубочек α-тубулина в нейронах ЧС мозга человека. Хорошая воспроизводимость реакции на α-тубулин при изучении посмертного материала указывает на перспективность использования этого маркера для оценки функционального состояния нейронов головного мозга человека. Интенсивность иммуногистохимической реакции на данный белок указывает на сохранность цитоскелета [20] и свидетельствует о структурной стабильности нейронов.

Таким образом, представленные данные позволяют уточнить цитохимический профиль нейронов ЧС мозга человека и демонстрируют возможность использования ряда новых иммуноцитохимических маркеров для анализа нормальных и патологических структур этой области мозга.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект 14−15−00014).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Создание и разрыв связей в мозгу

Если вы возьмете человеческий мозг и бросите его в блендер (не то, чтобы вы должны это сделать), полученная смесь клеток не будет такой особенной, как человеческий мозг. Ни мыслей, ни забот, ни удивления, ни трепета.

Это потому, что именно связи между этими клетками делают мозг таким удивительным. Посылая электрические сигналы от нервной клетки к нервной клетке по огромной сети соединений, мозг создает такие обыденные мысли, как «Где мои ключи?» или столь глубокое, как «Я мыслю, следовательно, я существую».

Кимберли Макаллистер была очарована человеческим мозгом еще в колледже. Будучи аспиранткой в ​​1990-х годах, изучая нейробиологию развития, ее привлек вопрос о том, как устроен мозг: как отдельные клетки мозга растущего плода каким-то образом организуются в орган, способный однажды обдумать тайны жизни.

В настоящее время директор Центра неврологии Калифорнийского университета в Дэвисе Макаллистер продолжает исследовать, как нервные клетки мозга, называемые нейронами, находят друг друга, соединяются и расходятся.Она поговорила с Knowable Magazine о ключевых открытиях в изучении мозговых сетей и новых работах, раскрывающих их важность при заболеваниях.

Эта беседа была отредактирована для увеличения длины и ясности.

Связи между нейронами называются синапсами. Что такое синапс и что там происходит?

По сути, это связь: одна ячейка разговаривает с другой. Клетка мозга, или нейрон, имеет большое основное тело, из которого торчат маленькие нити.Итак, один нейрон, передатчик, использует очень тонкую нить, называемую аксоном. Второй нейрон, приемник, может получать контакты вдоль своего основного тела или вдоль нитей, которые разветвляются, как дерево, называемые дендритами. Когда кончик аксона передатчика соединяется с приемником, это синапс.

Нейроны работают на электричестве. Если электрический сигнал проходит по аксону, его кончик высвобождает химические вещества, называемые нейромедиаторами, в синапс. Эти нейротрансмиттеры сообщают клетке-приемнику либо активировать собственный электрический заряд, который посылает сигнал следующему нейрону в цепочке, либо приказывают клетке-приемнику оставаться в покое.

Когда нервная клетка связывается с другой нервной клеткой, сообщение передается от кончика аксона, длинных тонких ответвлений, отходящих от основного тела клетки. Этот конец аксона выпускает химические мессенджеры, известные как нейротрансмиттеры (синие точки), в пространство между двумя клетками, называемое синаптической щелью. Белки-рецепторы на дендрите принимающей клетки — другом ответвлении — улавливают эти нейротрансмиттеры, которые сообщают принимающей клетке, следует ли оставаться в покое или послать сообщение дальше.Это сильно упрощенное изображение также показывает несколько тысяч видов белков, обнаруженных в синапсах, в том числе потенциалзависимые ионные каналы, которые помогают нервам посылать электрические сигналы, и транспортные белки, которые перемещают молекулы в клетки и из них.

Но это не так просто, как один приемник на каждый передатчик. Например, в лобной коре — части мозга, отвечающей за такие способности, как речь, которые отличают нас от других животных, — нейроны выглядят красиво, как деревья.Они могут иметь 10 000 или более синапсов на своих ветвящихся дендритах, каждый из которых может получать информацию от другой клетки.

Активность этих тысяч входов суммируется, чтобы заставить нейрон сработать — или нет — и именно так информация передается в мозг. Этот вид передачи информации через сложные сети, созданные 120 миллиардами нейронов в человеческом мозгу, позволяет создавать сложные мысли.

Аксоны и дендриты могут перемещаться, особенно когда мозг молод.То, как они соединяют отдельные нейроны, создает сетевые пути. Во время развития 100 триллионов синапсов в коре головного мозга человека формируются со скоростью примерно 10 000 каждые 15 минут! Вместе все эти синапсы образуют гигантскую сеть. И это дает нам сознание.

Когда я начинал, мы ничего не знали о том, как формируются синапсы. Я разработал технику для изучения роста дендритов. Мы поняли, что форма нейронов и дендритов зависит от активности синапсов.То есть, если мозг не получает информацию — от органов чувств и окружающей среды — и не отвечает разговорами по сети, тогда нейроны не будут строить правильные приемники, и мозг не будет развиваться должным образом.

Синапсы — это очень маленькие, но невероятно сложные молекулярные механизмы, состоящие из белков, которые направляют, поддерживают и укрепляют связи. Одним из самых больших достижений за последние 20 лет стала идентификация огромного количества белков, образующих эти связи.По оценкам биохимиков, в каждом синапсе находятся тысячи различных белков. Удивительное разнообразие этих белков позволяет мозгу настраивать силу и стабильность синапсов, позволяя нам думать сложные мысли и создавать воспоминания.

Мы узнали, что если есть генетическая мутация, которая изменяет функцию одного из этих белков, она может способствовать развитию таких расстройств, как аутизм, шизофрения и депрессия. Мы привыкли думать об этих состояниях как о нарушениях синапсов или синаптопатиях.

Считалось, что в развивающемся плоде или младенце нейроны волей-неволей образуют множество связей, что описывается восхитительной фразой «буйный синаптогенез». Как этот процесс строит организованный мозг?

Когда нейроны рождаются в мозгу плода, они мигрируют в свое правильное положение. Упрощенно можно представить, что некоторые перемещаются в головной мозг, который участвует в таких задачах, как речь и рассуждение, некоторые в мозжечок, который участвует в координации движений, а некоторые в ствол мозга, где коренятся автоматические действия тела, такие как дыхание. .После размещения аксоны следуют по химическим следам к целевым областям либо в той же части мозга, либо в другом месте.

В учебниках говорится, что как только они попадают в основную область-мишень, аксоны образуют избыточные соединения; затем лишние синапсы обрезаются только на более поздних этапах развития. Но теперь мы знаем, что есть молекулы, которые с самого начала ограничивают образование синапсов, что начальное образование контролируется более жестко.

Большинство нейронов головного мозга развиваются до рождения, но мозг продолжает созревать еще долгое время после этого, при этом нейроны создают и разрывают поразительное количество соединений, называемых синапсами.Нейроны, показанные в этом видео, были выделены из коры головного мозга новорожденной мыши и выращены в чашке, где их визуализировали каждые 30 минут между шестым и восьмым днями после рождения. Тонкие клеточные отростки, называемые аксонами (красные), ищут ответвления дендритов (зеленые) соседних нейронов, чтобы сформировать связи.
ПРЕДОСТАВЛЕНО: А. КИМБЕРЛИ МАКАЛЛИСТЕР / СКОТТ КЭМЕРОН

 

Способность мозга усиливать или ослаблять синапсы в зависимости от того, насколько они активны, часто называют «пластичностью».Что такое пластика и почему она важна?

Пластичность означает, что мозг может изменяться, например, путем изменения связей в его сетях. Без пластичности мы не смогли бы учиться или адаптироваться к окружающей среде. Когда вы что-то изучаете, электрическая активность проходит по разным цепям. Эти электрические импульсы изменяют силу определенных соединений, делая их сильнее или слабее.

Например, если вы узнаете, что «хола» в переводе с испанского означает «привет», некоторые синапсы станут сильнее.Это происходит в результате изменений в различных белках, составляющих синапс.

Ученые могут видеть это, когда имитируют обучение на срезах мозга в лабораторных чашках и даже у живых животных. Дендриты имеют небольшие выступы, называемые шипами, которые действуют как приемники сигналов. После обучения эти шипы становятся больше, и они с большей вероятностью останутся. Такое изменение является частью пластичности.

Маленькие дети отлично усваивают новую информацию и навыки. Будучи взрослыми, мы часто не так хороши в этом.Как меняется пластичность с возрастом?

Мозг молодых животных обладает большой пластичностью. Для каждой способности мозга, например, для понимания языка, существует критический период, когда обучение идет легко. Это критический период, когда в мозгу происходит много изменений. Если вы посмотрите на эти отростки дендритов в молодом мозгу, то увидите, что они двигаются как сумасшедшие.

Но если вы посмотрите на мозг взрослого человека, то увидите, что иглы почти не двигаются. Это потому, что материал, который действует как клей, входит и удерживает нейроны на месте.Критический период для каждой области мозга заканчивается в разное время. Например, критический период для развития речи начинает заканчиваться примерно в возрасте 5 лет. Но способность мозга делать рациональные суждения не полностью созревает примерно до 25 лет.

Итак, у взрослых связи довольно стабильны, но пластичность полностью не исчезает. У взрослых речь идет не столько о добавлении или удалении связей, сколько о настройке силы синапсов с использованием всех этих синаптических белков.

Одной из величайших загадок является , почему взрослых так легко теряют способность учиться.В некоторых случаях, например, в частях зрительной системы лягушек и золотых рыбок, эта пластичность не исчезает. Ученые пытаются понять, что происходит с этими существами. Если бы мы могли возобновить критический период у кого-то, чьи нервы повреждены или ухудшаются, возможно, мы смогли бы восстановить связи.

Чтобы изучить синапсы, ученые сначала занялись нервно-мышечным соединением, где определенные нейроны встречаются с мышцами для управления движением. Куда ушли исследователи оттуда?

В 1990-х и начале 2000-х годов в этой области полностью доминировали исследования нервно-мышечных соединений.Это гораздо более простой синапс, чем в мозге. Мы многому научились.

Но в мозгу синапсы намного разнообразнее. Сосредоточение внимания на мозге стало возможным благодаря развитию методов, которые позволили нам извлекать нейроны из мозга и наблюдать в чашке, как они образуют сети. Таким образом, мы можем начать оценивать, как формируются, функционируют и исчезают синапсы в сложных сетях, которые они формируют даже за пределами мозга.

Мы обнаружили огромные различия между мозгом и нервно-мышечным соединением.В мозгу есть еще много, много разных типов синапсов и больше видов нейротрансмиттеров. Это значительно усложняет мозг — не говоря уже о сложности нервно-мышечного соединения! — и суперинтересно.

Исследователи также обнаружили новый класс молекул, которые удерживают вместе две стороны синапса. Почему это важно?

Эти молекулы охватывают промежуток между двумя сторонами синапса, удерживая передающие и принимающие клетки вместе, как молнии, и они действительно важны для образования и ликвидации синапсов.

Оказывается, мутации, которые изменяют многие из этих «молниеносных» молекул, делают синапсы дисфункциональными и связаны с расстройствами головного мозга, включая эпилепсию, синдром Дауна и болезнь Альцгеймера. Например, дефекты в гене белка-молнии под названием нейролигин были связаны с аутизмом; затем исследователи обнаружили мутации в том же гене у людей, больных шизофренией.

Но у вас также могут быть эти мутации, но не расстройство мозга. Один из животрепещущих вопросов сейчас: что заставляет человека с мутацией белка-молнии проявлять симптомы и почему разные наборы симптомов (т.е. аутизм против шизофрении) проявляются у разных людей с одинаковыми мутациями?

Я думаю, что эти белки-молнии могут оказаться даже более интересными, чем другие части синапса. Теперь ученые хотят понять: как мы можем разработать лекарства для исправления дисфункциональных синапсов?

Считалось, что мозг несколько изолирован от иммунной системы организма. Тем не менее, вы и другие сейчас изучаете роль иммунных клеток и молекул в мозге. Что они делают?

Большое внимание уделяется особому типу иммунных клеток, называемому микроглией.Эти клетки очищают мозг от мертвых клеток и других израсходованных материалов. Микроглия может уничтожать синапсы, поедая их. Мы знаем, что они связаны с заболеваниями головного мозга, такими как болезнь Альцгеймера, потому что они переключаются в свое активное противоинфекционное состояние у людей с такими заболеваниями. Но до сих пор остается загадкой, как именно они вносят свой вклад.

Я изучал мозговые функции иммунных молекул под названием MHC1. Эти молекулы отлипают от поверхности почти всех клеток. Их традиционная работа — сообщить иммунной системе, что эти клетки являются частью тела, а не чем-то, что нужно атаковать.Молекулы MHC1 также участвуют в синаптической пластичности. Они предотвращают образование синапсов на ранней стадии, поэтому они делают развитие мозга менее бурным и более строго контролируемым.

Я также думаю, что молекулы MHC1 участвуют в том, как химические вещества или инфекции влияют на развитие мозга. Я вхожу в группу, изучающую, как инфекции у беременных женщин усугубляют риск развития у ребенка расстройства аутистического спектра или шизофрении. В одном проекте мы изучаем потомство мышей-матерей после того, как матери подверглись воздействию вирусоподобного вещества, вызывающего иммунный ответ.У мышей-потомков в мозгу больше MHC1 и меньше синапсов, чем у контрольных животных. Это говорит о том, что инфекции, которые затрагивают иммунную систему, могут изменить схему мозга за счет изменения уровня иммунных молекул в синапсах.

С одной стороны, тот факт, что инфекции могут изменить развитие мозга, пугает. С другой стороны, в большинстве случаев инфекции не влияют на мозг. Если мы сможем лучше понять, как, когда и почему иммунная система регулирует развитие мозга, однажды мы сможем разработать лекарства для изменения иммунного ответа и исправления того, что происходит или идет не так в мозгу.

моделей нейронов помогают раскрыть секреты мозговой коммуникации

Паттерны, созданные нейронами в мозге, могут быть использованы, чтобы пролить свет на то, как функционирует мозг, и приблизить нас к созданию интеллектуальных роботов, утверждают ученые.

Международная команда из университетов Ньюкасла и Цюриха, Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Калифорнийского технологического института показала, что структура нейронов и образуемые ими закономерности могут быть использованы для объяснения их поведения и функционирования.

Моделирование нейронов зрительной коры, ответственных за зрение, показало, что кажущиеся случайными паттерны можно объяснить простыми законами развития.

В свою очередь, эти повторяющиеся паттерны можно использовать для лучшего понимания того, как нейроны организуют свои связи для общения друг с другом.

Соавтор исследования, доктор Роман Бауэр, научный сотрудник Школы вычислительной техники, поясняет:

«На первый взгляд сеть нейронов в человеческом мозгу кажется такой запутанной и сложной, что кажется, будто ее невозможно начать. чтобы понять, как они все связаны друг с другом.

«Но мы показали, что определенные нейроны создают определенные паттерны, которые следуют довольно простым правилам.

«Если мы сможем определить эти паттерны в мозгу, то сможем использовать их, чтобы предсказать, как ведут себя эти конкретные нейроны.»

Сосредоточивая свою работу на связях между таламусом и корковыми областями мозга, д-р Бауэр говорит, что если мы сможем понять, как животные воспринимают визуальные стимулы и распознают объекты, это может произвести революцию в современных технологиях.

«Когда мы меняем ориентацию объекта, мозг по-прежнему распознает его как тот же объект и легко приспосабливается к меняющейся ситуации. Но у нынешнего ИИ с этим большие проблемы.

«Если мы сможем упростить мозг до несколько ключевых паттернов, которые могут быть переведены с помощью технологий, тогда можно будет создать искусственный интеллект, который действительно имитирует человеческий мозг.

«Что еще более важно, понимание того, как выглядит здоровая сеть, позволит нам выявлять изменения или аномалии и информировать о новых методах лечения.»

Ссылка

Far et al . (2020) Модель генеративного роста таламокортикального аксона в первичной зрительной коре. PLOS Computational Biology .

Эта статья была переиздана из следующих материалов. : материал мог быть отредактирован по длине и содержанию. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, свяжитесь с цитируемым источником.

При повреждении мозг взрослого человека восстанавливает себя, возвращаясь к истокам Медицинский факультет Калифорнийского университета в Сан-Диего с коллегами в других местах.Ученые сообщают, что в своем недавно принятом незрелом состоянии клетки становятся способными повторно выращивать новые связи, которые при правильных условиях могут помочь восстановить утраченную функцию.

Восстановление повреждений головного и спинного мозга может быть самой сложной задачей медицинской науки. Еще сравнительно недавно это казалось невыполнимой задачей. Новое исследование излагает «транскрипционную дорожную карту регенерации во взрослом мозге».

На поперечном срезе мозга крысы показаны клетки (выделены синим цветом), экспрессирующие нормальный уровень гена Хантингтина, в то время как клетки (выделены красным цветом) имеют нокаут гена.Последние клетки без гена Хантингтина проявляли меньшую регенерацию.

«Используя невероятные инструменты современной неврологии, молекулярной генетики, вирусологии и вычислительной мощности, мы впервые смогли определить, как весь набор генов во взрослой клетке мозга перезагружается, чтобы регенерировать. Это дает нам фундаментальное представление о том, как на уровне транскрипции происходит регенерация», — сказал старший автор Марк Тушински, доктор медицинских наук, профессор неврологии и директор Института трансляционной неврологии в Медицинской школе Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Используя модель мыши, Тушински и его коллеги обнаружили, что после травмы зрелые нейроны во взрослом мозге возвращаются в эмбриональное состояние. «Кто бы мог подумать, — сказал Тушинский. «Всего 20 лет назад мы думали о взрослом мозге как о статичном, окончательно дифференцированном, полностью установленном и неизменном».

Но работа Фреда «Расти» Гейджа, доктора философии, президента и профессора Института биологических исследований Солка и адъюнкт-профессора Калифорнийского университета в Сан-Диего, и других обнаружила, что новые клетки мозга постоянно производятся в гиппокампе и субвентрикулярной зоне, пополнение этих областей мозга на протяжении всей жизни.

«Наша работа еще больше радикализирует эту концепцию, — сказал Тушинский. «Способность мозга восстанавливать или заменять себя не ограничивается только двумя областями. Вместо этого, когда взрослая клетка коры головного мозга повреждается, она возвращается (на уровне транскрипции) к эмбриональному корковому нейрону. И в этом возвращенном, гораздо менее зрелом состоянии он теперь может отрастить аксоны, если ему будет предоставлена ​​среда для роста. На мой взгляд, это самая примечательная особенность исследования, которая просто шокирует».

Чтобы создать «благоприятную среду для повторного роста», Тушински и его коллеги исследовали, как поврежденные нейроны реагируют на травму спинного мозга.В последние годы исследователи значительно расширили возможности использования трансплантированных нервных стволовых клеток для стимулирования восстановления поврежденного спинного мозга и восстановления утраченной функции, в основном за счет того, что нейроны вытягивают аксоны через место повреждения, воссоединяя разорванные нервы.

В прошлом году, например, междисциплинарная группа под руководством Коби Коффлера, доктора философии, доцента нейробиологии, Тушински, и Шаочен Чена, доктора философии, профессора наноинженерии и преподавателя Института инженерии в медицине в Калифорнийском университете в Сан-Франциско. Диего описал использование имплантатов, напечатанных на 3D-принтере, для стимулирования роста нервных клеток при травмах спинного мозга у крыс, восстановления связей и утраченных функций.

Последнее исследование преподнесло второй сюрприз: в стимулировании роста и восстановления нейронов один из основных генетических путей включает ген гентингтина (HTT), мутация которого вызывает болезнь Гентингтона, разрушительное заболевание, характеризующееся прогрессирующим разрушением нервных клеток. клеток в головном мозге.

Команда Тушинского обнаружила, что «регенеративный транскриптом» — набор молекул матричной РНК, используемых корково-спинномозговыми нейронами — поддерживается геном HTT.У мышей, генетически модифицированных без гена HTT, травмы спинного мозга показали значительно меньшее прорастание и регенерацию нейронов.

«Несмотря на то, что было проделано много работы, чтобы понять, почему мутации гентингтина вызывают болезни, гораздо меньше известно об обычной роли гентингтина», — сказал Тушински. «Наша работа показывает, что гентингтин необходим для восстановления нейронов головного мозга. Таким образом, можно предсказать, что мутации в этом гене приведут к потере способности взрослого нейрона восстанавливаться.Это, в свою очередь, может привести к медленной дегенерации нейронов, которая приводит к болезни Гентингтона».

Соавторы: Гуннар Поплавски, Эрна Ван Ниркерк, Нил Мехта, Филип Канете, Ричард Ли, Джессика Мевес и Бинхай Чжэн, все из Калифорнийского университета в Сан-Диего; Рики Кавагути и Джованни Коппола, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе; Пол Лу, Калифорнийский университет в Сан-Диего и Медицинский центр Управления по делам ветеранов, Сан-Диего; и Иоаннис Драгацис, Университет Теннесси.

Финансирование этого исследования частично поступило от доктора Мириам и Шелдона Г.Фонд медицинских исследований Адельсона, Управление по делам ветеранов (Консорциум Гордона Мэнсфилда по регенерации спинного мозга), Национальные институты здравоохранения (NS09881, EB014986), Фонд семьи Гербиков и Центр информатики NINDS для нейрогенетики и нейрогеномики (NS062691).

Скрытый паттерн, стимулирующий рост мозга

Жизнь полна узоров. Для живых существ характерно создавать повторяющиеся ряды сходных черт по мере своего роста: представьте себе перья, которые немного различаются по длине на крыле птицы или более короткие и длинные лепестки на розе.

Исследователи из Стэнфорда использовали передовую микроскопию и математическое моделирование, чтобы обнаружить закономерность, управляющую ростом нейронов в мозгу плоских червей, показанную здесь. Используя эту технику, они надеются найти закономерности, управляющие ростом клеток в других частях тела, чтобы проложить путь к биоинженерии искусственных тканей и органов. (Изображение предоставлено Wang Lab)

Оказывается мозг ничем не отличается. Используя передовую микроскопию и математическое моделирование, исследователи из Стэнфорда обнаружили закономерность, управляющую ростом клеток мозга или нейронов.Подобные правила могут управлять развитием других клеток в организме, и их понимание может быть важно для успешного биоинженерного создания искусственных тканей и органов.

Их исследование, опубликованное в журнале Nature Physics , основано на том факте, что мозг содержит множество различных типов нейронов и что для выполнения любых задач требуется, чтобы несколько типов работали согласованно. Исследователи хотели выявить невидимые закономерности роста, которые позволяют нужным типам нейронов располагаться в нужных местах для построения мозга.

«Как клетки с дополнительными функциями организуют себя, чтобы построить функционирующую ткань?» сказал соавтор исследования Бо Ван, доцент кафедры биоинженерии. «Мы решили ответить на этот вопрос, изучая мозг, потому что обычно предполагалось, что мозг слишком сложен, чтобы иметь простое правило формирования паттернов. Мы удивились, когда обнаружили, что такое правило действительно существует».

Мозг, который они выбрали для исследования, принадлежал планарии, плоскому червю длиной в миллиметр, который может отращивать новую голову каждый раз после ампутации.Во-первых, Ван и Маргарита Харитон, аспирантка его лаборатории, использовали флуоресцентные красители для маркировки различных типов нейронов у плоского червя. Затем они использовали микроскопы с высоким разрешением, чтобы захватить изображения всего мозга — светящихся нейронов и всего остального — и проанализировали паттерны, чтобы увидеть, смогут ли они извлечь из них математические правила, определяющие их строение.

Они обнаружили, что каждый нейрон окружен примерно дюжиной соседей, похожих на него самого, но между ними вкраплены другие виды нейронов.Это уникальное расположение означает, что ни один нейрон не находится вплотную к своему близнецу, в то же время позволяя различным типам комплементарных нейронов быть достаточно близко, чтобы работать вместе для выполнения задач.

Исследователи обнаружили, что этот паттерн повторяется снова и снова по всему мозгу плоских червей, образуя непрерывную нейронную сеть. Соавторы исследования Цзянь Цинь, доцент кафедры химического машиностроения и доктор наук Сянь Конг, разработали вычислительную модель, чтобы показать, что эта сложная сеть функциональных окрестностей возникает из-за тенденции нейронов собираться как можно плотнее, но не слишком близко друг к другу. другие нейроны того же типа.

Хотя нейробиологи могут когда-нибудь адаптировать эту методологию для изучения структур нейронов в человеческом мозгу, исследователи из Стэнфорда считают, что эту технику можно было бы с большей пользой применить в новой области тканевой инженерии.

Основная идея проста: тканевые инженеры надеются заставить стволовые клетки, мощные клетки общего назначения, из которых происходят все типы клеток, вырасти в различные специализированные клетки, формирующие печень, почки или сердце. Но ученым нужно будет расположить эти разнообразные клетки в правильном порядке, если они хотят, чтобы сердце билось.

«Вопрос о том, как организмы превращаются в формы, выполняющие полезные функции, веками интересовал ученых, — сказал Ван. «В нашу технологическую эпоху мы не ограничиваемся пониманием этих моделей роста на клеточном уровне, но также можем найти способы реализовать эти правила для биоинженерных приложений».

Работа выполнена при поддержке Burroughs Wellcome Fund.

Почему ученые пытаются нанести на карту каждый нейрон в мозгу?

Исследователи со всего мира заняты чрезвычайно сложным проектом по составлению карты всего человеческого мозга.И недавно они сообщали о некоторых многообещающих достижениях.

Конечная цель состоит в том, чтобы наметить расположение примерно 85 миллиардов нейронов в мозге, их примерно 100 триллионов связей и то, как они все функционируют.

Если это звучит как сложная задача, то это потому, что так оно и есть. Есть надежда, что это приведет к гораздо лучшему пониманию того, как работает мозг и особенно как возникают психические расстройства – и их можно будет лучше лечить.

Ниже приведено очень простое руководство о том, почему ученые составляют карту человеческого мозга и как они это делают:

Кто занимается картированием?

Это не один большой организованный проект.Это группа ученых со всего мира, работающих над различными проектами.

Сейчас очень много внимания уделяется картированию мозга. США и ЕС недавно вложили в эту смесь значительные средства. Финансирование Инициативы Обамы BRAIN (Исследования мозга посредством продвижения инновационных нейротехнологий) началось в 2014 году и должно предоставлять 100 миллионов долларов в год на каждый из 10 лет. (Для сравнения, бюджет нейробиологии Национального института здравоохранения составляет около 5,5 миллиардов долларов в год.) Европейская комиссия пообещала 1 доллар.3 миллиарда за 10 лет, чтобы сделать подробную компьютерную модель человеческого мозга. Также реализуется множество частных проектов.

Сложно составить карту человеческого мозга?

Да. Человеческий мозг чрезвычайно сложен. Мозг разных людей имеет клетки, связанные по-разному, поэтому исследователи не могут просто составить карту одного мозга и положить этому конец. Кроме того, вопреки прежней научной мысли, в мозгу каждого на протяжении всей жизни развиваются новые клетки и новые связи. Если вы живы, ваш мозг меняется.

Итак, как

сделать карту мозга?

Один из способов — начать с менее сложных организмов. Единственный вид, у которого был закартирован каждый нейрон, — это микроскопический червь под названием C. elegans. Это было намного проще, так как у червя всего 302 нейрона. (Это 0,0000004 процента от числа нейронов в человеческом мозгу.)

Но исследователи работают и над мозгом млекопитающих.Например, Атлас связей мозга Аллена Мауса — это самая подробная карта связей мозга любого млекопитающего. Один из методов, который они используют, чтобы выяснить это, заключается в добавлении флуоресцентного белка к крошечной области, содержащей от 100 до 500 нейронов. А потом отслеживают, куда течет светящийся белок. И как они это делают? Ну, после этого они удаляют мышиные мозги и нарезают их на мелкие кусочки. Затем они повторяются снова с другой мышью и инъекцией в другое место. Когда в апреле исследователи опубликовали крупную статью об атласе, они нанесли на карту примерно от 15 до 20 процентов всех нейронов мозга мыши.

Мозг человека сложнее картировать, чем мозг мыши?


Отслеживание потока воды для отслеживания нейронов. (Томас Шульц/Wikimedia Commons)

Да. Мы не можем вводить флуоресцентные белки внутрь людей, а затем вынимать их мозг, чтобы посмотреть, куда делось свечение. Вместо этого ученые используют другие методы, в том числе тип МРТ, который отслеживает поток воды в тканях мозга. Обычно легче и быстрее (не говоря уже о том, что это дешевле) исследовать тысячи мышей, чем тысячи людей, и решение всегда является проблемой.

Значит, нам просто нужно найти связи нейронов, и все готово?

Не совсем так. Исследователи сравнивают картографирование связей мозга с картированием городских дорог: вы знаете, где проходят улицы, но понятия не имеете, на что похоже движение.

Таким образом, еще одной важной областью картирования мозга было документирование того, где включаются различные гены. Например, исследование, проведенное Алленовским институтом наук о мозге в апреле, отслеживало места генетической активности в мозге четырех человеческих зародышей.Исследователи изучили десятки тысяч генов в ключевой момент, когда развиваются области, отвечающие за функции более высокого порядка, такие как мышление и память.

Еще одна важная задача — изучить, какие нейроны когда возбуждаются. Наиболее впечатляющей работой в этом направлении на данный момент может быть исследование, опубликованное весной 2014 года. В нем исследователи по отдельности включали каждую из 1054 различных нейронных цепей у личинок плодовой мушки, а затем записывали поведение каждой из них.Обратите внимание: личинки плодовых мушек — простые существа, имеющие всего 10 000 нейронов и поведение, намного более простое, чем у людей. (Исследователи классифицировали 29 общих «поведений» у личинок, таких как «повернуться-избежать» или «задним ходом». У людей их несколько больше.)

В настоящее время ученые картируют функции мозга у людей на гораздо более грубом уровне, используя такое оборудование, как фМРТ высокого разрешения. Чтобы получить отличный обзор картирования функций мозга у людей, ознакомьтесь с этой статьей в Нью-Йорк Таймс.

Сколько времени потребуется, чтобы составить карту человеческого мозга?

Давно. Исследователям потребовалось четыре года, чтобы проложить основные пути (примерно от 15 до 20 процентов) примерно 75 миллионов нейронов в мозгу мыши. Напротив, человеческий мозг имеет около 85 миллиардов нейронов — примерно в 1100 раз больше, чем у мыши. Хункуи Цзэн, который играет большую роль в проекте атласа мыши Института Аллена, сказал мне, что карта связи человека и мозга с таким же разрешением, как у мыши, «может быть создана в течение следующих 10 лет.» Но это все равно будет малая часть всего человеческого мозга.

Итак, да. Это долгий путь. Но это не значит, что это бессмысленно. Вот статья Бена Томаса из Scientific American Mind о том, почему попытки — но неудачи — все же того стоят, насколько ужасно сложной является задача и почему стремление к «меньшему количеству ошибок» в нашем понимании мозга по-прежнему невероятно полезно.

Что мы делаем, когда у нас есть карта мозга?

Все виды вещей. Возможно, мы могли бы создать мозгоподобные компьютеры, которые были бы такими же творческими, как и мы.Может быть, мы могли бы точно выяснить, какие химические дисбалансы происходят у людей с психическими заболеваниями и сколько серотонина (или чего-то еще) нужно накачивать в какие части мозга для их лечения. И, возможно, мы могли бы, наконец, ответить на вопросы, которые в настоящее время находятся в области философии — что такое любовь? Что такое красота? Что такое мечты?

Дальнейшее чтение

Почему попытки составить карту мозга того стоят, даже если ученые в конечном итоге потерпят неудачу

Картирование функций мозга у людей

«Быстрый и простой» рецепт изготовления клеток мозга

Резюме

Для изучения заболеваний головного мозга исследователям необходимо получить большое количество корковых нейронов, для естественного развития которых требуется много времени.Новое исследование ученых MSK показывает, как резко сократить время, необходимое для производства этих важных клеток.

Основные моменты

  • Нейроны могут быть получены из стволовых клеток, но этот процесс требует времени.
  • Новый метод использует комбинацию небольших молекул для ускорения развития нейронов коры головного мозга.
  • Прогресс прокладывает путь к лучшему моделированию заболеваний и потенциальному лечению заболеваний центральной нервной системы, таких как аутизм и шизофрения.

Выращивать нейроны в чашке стало намного проще. Новое исследование, проведенное учеными из Memorial Sloan Kettering, предлагает быстрый и простой способ ускорить развитие корковых нейронов — клеток, составляющих мыслящие части мозга.Усовершенствованный метод использует комбинацию из шести молекул, чтобы, по сути, сократить время приготовления клеток.

«Вместо того, чтобы ждать несколько месяцев, мы можем создать эти нейроны примерно за десять дней», — говорит Лоренц Штудер, директор Центра биологии стволовых клеток в Институте Слоана Кеттеринга. — Это мировой рекорд.

Подход основан на так называемых плюрипотентных стволовых клетках человека — универсальных клетках, которые могут дифференцироваться в клетки любого типа в организме. Такие стволовые клетки могут быть получены из развивающегося эмбриона или получены путем обращения часов развития взрослых клеток вспять, и в этом случае их называют индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками.

Вместо того, чтобы ждать несколько месяцев, мы можем создать эти нейроны примерно за десять дней. Это мировой рекорд.

Лоренц Штудер биолог стволовых клеток

Простота и скорость новой процедуры означают, что исследователи могут с большей легкостью моделировать заболевания центральной нервной системы, такие как шизофрения и аутизм, и, возможно, когда-нибудь разработают более эффективные методы лечения.

Нейронная поваренная книга

Лаборатория Студера ранее показала, что они могут использовать аналогичный метод для создания сенсорных нейронов, в частности, тех, которые обнаруживают боль.Этот рецепт, опубликованный в 2012 году, был полезен, но ограничен. Многие заболевания, поражающие нервную систему, поражают нейроны головного мозга, а не нейроны периферической нервной системы (где расположены сенсорные нейроны).

Новый подход предоставляет мощный инструмент для изучения этих болезней, связанных с мозгом, путем создания неуловимых корковых нейронов. Он основан на комбинации шести молекул, вводимых в точной последовательности и количестве для получения желаемого продукта. Молекулы являются ингибиторами нескольких молекулярных переключателей, которые, как известно, влияют на развитие, включая WNT, Notch, FGF и SMAD.

Эта формула, как и предыдущие из лаборатории Studer, была опубликована в Nature Biotechnology .

Back to top

Поиск правильной последовательности

В отличие от того, как некоторые исследователи отбирают новые лекарства или биологически значимые молекулы — например, тестируя тысячи различных молекул в различных комбинациях с помощью машин — команда Штудера нашла этот конкретный рецепт с помощью более кустарного подхода.

Мы фокусируемся на реальных биологических сигналах, которые, как мы знаем, участвуют в развитии этих нейронов.

Юйчен Ци биолог стволовых клеток

«Тема нашей лаборатории заключается в том, что мы не используем методы грубой силы для разработки протоколов», — говорит Юйчен Ци, научный сотрудник лаборатории Штудера и первый автор статьи. «Вместо этого мы сосредоточимся на реальных биологических сигналах, которые, как мы знаем, участвуют в развитии этих нейронов.

Тем не менее, было сложно придумать формулу победы. Подобно выпечке суфле, порядок, в котором вы комбинируете ингредиенты, и то, сколько вы используете каждого из них, может иметь значение между удачной выпечкой и полным провалом.

ВИДЕО | 00:59

Ролик iDISCO о мозге мыши в возрасте шести месяцев, демонстрирующий флуоресцентно меченные нейроны коры головного мозга человека. Обработкой и созданием фильма занимались Николя Ренье и Чжухао Ву в лаборатории Марка Тессье-Лавинь в Рокфеллеровском университете.

Детали видео

Меняя метафоры, доктор Штудер сравнивает процесс с исполнением музыкального произведения. «В октаве всего восемь нот, но вы можете играть эти ноты по-разному», — говорит он. «Это похоже на то, что у каждого типа клеток есть своя мелодия. Как только вы поймете это, вы сможете играть все лучше и лучше».

Музыкальная метафора уместна, учитывая то, что команда сделала затем: они имплантировали человеческие нейроны в развивающийся мозг мыши и следили за их ростом, используя новую мощную технику визуализации, называемую iDISCO органов).С iDISCO команда может создавать фильмы, которые показывают, что происходит с человеческими нейронами в течение шести месяцев, пока они перемещаются по мозгу мыши.

«Это показывает, что эти клетки могут выжить, и они ведут себя как кортикальные нейроны — например, направляются в нужные места», — говорит доктор Студер.

Back to top

Воображая будущее

Постдокторант SKI Ючен Ци и директор Центра биологии стволовых клеток Лоренц Штудер.

Доктор Штудер предвидит день, когда метод выращивания нейронов можно будет использовать для моделирования сложных заболеваний головного мозга, таких как аутизм или шизофрения. «В будущем вы могли бы представить, что сможете взять клетки кожи у больного шизофренией, создать из них индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, а затем использовать этот протокол для создания кортикальных нейронов», — говорит он. «Эти нейроны будут иметь ту же генетику — ту же ДНК — что и пациент. Затем вы можете поместить эти нейроны в мышь и спросить: «Как они себя ведут?» Правильно ли они подключаются? Чем они отличаются от обычных нейронов?».

Это может показаться несбыточной мечтой, но полезно помнить, что лаборатория Штудера имеет долгую историю мечтаний и погони за футуристическими идеями.Более десяти лет назад команда впервые научилась создавать нейроны, секретирующие дофамин, из эмбриональных стволовых клеток. Им удалось показать, что эти нейроны могут вылечить мышей с помощью модели болезни Паркинсона, разрушительные симптомы которой частично возникают из-за потери в мозге нейронов, вырабатывающих дофамин. Клинические испытания этих созданных в лаборатории дофаминовых нейронов для людей с болезнью Паркинсона должны начаться в конце этого года в ожидании окончательного одобрения Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов.

Back to top

Обновляет ли мозг взрослого человека свои нейроны?

Послушайте эту историю. Наслаждайтесь большим количеством аудио и подкастов на iOS или Android.

Ваш браузер не поддерживает элемент

ДВЕ статьи с совершенно противоречивыми выводами, опубликованные с разницей в три недели, вновь разожгли споры о том, может ли мозг взрослого человека выращивать новые нейроны. На протяжении более века нейробиологи считали, что мозг приобрел все нейроны, которые у него когда-либо будут, вскоре после рождения.Но исследования, проведенные за последние два десятилетия, поставили это под сомнение, предоставив доказательства того, что новые нейроны действительно генерируются у взрослых особей нескольких видов, включая людей. Этот вопрос представляет собой нечто большее, чем просто теоретический интерес. Понимание того, как генерируются нейроны, может привести к новым способам борьбы со снижением когнитивных функций при старении, нейродегенеративными заболеваниями и даже депрессией.

Противоречащие друг другу исследования включали изучение посмертных образцов мозга с использованием метода, называемого иммунным окрашиванием.Первая книга, написанная Артуро Альвересом-Буйлла и Шоном Сорреллсом из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, была опубликована 15 марта в журнале Nature . В нем утверждается, что нейрогенез происходит редко, если вообще происходит, у взрослых. Другой, написанный Маурой Болдрини и Рене Хеном из Колумбийского университета, был опубликован 5 апреля в журнале Cell Stem Cell . Он утверждает, что нейрогенез сохраняется во взрослом возрасте практически без изменений.

При иммуноокрашивании используются антитела, которые связываются с определенными белками и флуоресцируют определенным цветом.Используя его, обе команды сосредоточили свое внимание на DCX и PSA-NCAM, двух белках, обнаруженных в новых нервных клетках в большем количестве, чем в старых. В частности, они рассмотрели гиппокампы, две части мозга (см. рисунок), участвующие в формировании памяти — процесс, которому легко может помочь генерация новых нейронов.

Используя DCX и PSA-NCAM в качестве индикаторов юношеских нервных клеток, д-р Alverez-Buylla и д-р Сорреллс описывают картину обильного нейрогенеза в пренатальном и младенческом мозге, который затем резко снижается в первый год жизни.Самый старый гиппокамп, в котором они увидели новые нейроны, принадлежал 13-летнему ребенку. Это подтверждает историческое мнение о том, что мозг взрослого человека не генерирует новые нейроны. Д-р Болдрини и д-р Хен, напротив, видели признаки юношеских нейронов у людей в возрасте до 79 лет. Одно отличие заключалось в том, что д-р Альверес-Буйла и д-р Сорреллс использовали образцы, собранные в течение 48 часов после смерти, тогда как верхний предел, использованный д-р Болдрини и д-р Хен, составлял 26 часов.Это может быть важно. Исследования на крысах показывают, что DCX может разрушаться в течение нескольких часов после смерти.

Более того, хотя обе команды использовали иммунное окрашивание, их процедуры отличались в других отношениях. В частности, д-р Болдрини и д-р Хен наблюдали только за подростками и взрослыми, поэтому не могли уловить изменения, которые д-р Альверес-Буйлла и д-р Сорреллс наблюдали в самые ранние годы, что послужило важным ориентиром для эффективности иммунного окрашивания. И наоборот, д-р Болдрини и д-р Хен использовали другие доказательства, такие как объем гиппокампа (который не казался меньше в старом мозге, чем в молодом), чтобы поддержать свои выводы.

В результате получается старое научное клише: «необходимы дополнительные исследования». Но совпадающая публикация этих двух статей, каждая из которых правдоподобна сама по себе, является полезным напоминанием о необходимости проверки работы в науке. Тогда проверьте это. Затем проверьте еще раз.

Эта статья появилась в разделе «Наука и технологии» печатного издания под заголовком «Загадка»

.

Написать ответ

Ваш адрес email не будет опубликован.