как образуются нейроны головного мозга
Как образуются нейроны?
Механизм дифференцировки предшественников нейронов в нейроны с узкой специализацией изучен крайне слабо. Но ведь кроме возможностей использовать данные знания для терапии различных расстройств, затрагивающих нервную систему, понимание механизмов дифференциации нейронов позволит значительно продвинуться в исследованиях стволовых клеток и методов их перепрограммирования.
Специалисты из Медицинской школы Джона Хопкинса, США, (Johns Hopkins School of Medicine) выяснили механизм приобретения нейронами их специфических функций и обнаружили белок-антиоксидант Prdx1, который этот процесс контролирует.
В развивающейся нервной системы, предшественники нейронов «выключают» программу деления и «включают» программу узкой функциональной дифференциации. Учёные выяснили роль GDE2 мембранных белков и пероксиредоксина Prdx1, которые и инициируют развитие нейронов спинного мозга. Исследователи предположили, что этот механизм общий и лежит в основе процесса образования и других типов нейронов.
Предыдущие исследования показали, что протеин GDE2 стимулирует развитие незрелых нейронов в двигательные (моторные), передающие сигнал и контролирующие мышечные сокращения. Низкая концентрация GDE2 не позволяет предшественникам нервных клеток дифференцировать в мотонейроны.
Основываясь на этих данных, учёные определили круг соединений, влияющий на работу GDE2 в течение всего цикла его синтеза и функционирования в клетке. Изучив потенциальные регуляторные факторы, исследователи выделили несколько наиболее вероятных белков и определили гены, отвечающие за их синтез. Так, «выключив» ген синтеза пероксиредоксина Prdx1 в куриных эмбрионах, учёные получили эмбрионы с неразвитыми мотонейронами, аналогичные получаемым при «выключении» гена GDE2.
Чтобы убедится, что отсутствие Prdx1 тормозит развитие мотонейронов именно воздействием на GDE2, а не каким-либо другим путём, исходные белки заменили мутантными, которые не могли образовывать между собой связи. Это полностью затормозило дифференциацию нейронов.
Результаты этого исследования опубликованы в Cell.
NAME] => URL исходной статьи [
Ссылка на публикацию: STRF.ru
Код вставки на сайт
Как образуются нейроны?
Механизм дифференцировки предшественников нейронов в нейроны с узкой специализацией изучен крайне слабо. Но ведь кроме возможностей использовать данные знания для терапии различных расстройств, затрагивающих нервную систему, понимание механизмов дифференциации нейронов позволит значительно продвинуться в исследованиях стволовых клеток и методов их перепрограммирования.
Специалисты из Медицинской школы Джона Хопкинса, США, (Johns Hopkins School of Medicine) выяснили механизм приобретения нейронами их специфических функций и обнаружили белок-антиоксидант Prdx1, который этот процесс контролирует.
В развивающейся нервной системы, предшественники нейронов «выключают» программу деления и «включают» программу узкой функциональной дифференциации. Учёные выяснили роль GDE2 мембранных белков и пероксиредоксина Prdx1, которые и инициируют развитие нейронов спинного мозга. Исследователи предположили, что этот механизм общий и лежит в основе процесса образования и других типов нейронов.
Предыдущие исследования показали, что протеин GDE2 стимулирует развитие незрелых нейронов в двигательные (моторные), передающие сигнал и контролирующие мышечные сокращения. Низкая концентрация GDE2 не позволяет предшественникам нервных клеток дифференцировать в мотонейроны.
Основываясь на этих данных, учёные определили круг соединений, влияющий на работу GDE2 в течение всего цикла его синтеза и функционирования в клетке. Изучив потенциальные регуляторные факторы, исследователи выделили несколько наиболее вероятных белков и определили гены, отвечающие за их синтез. Так, «выключив» ген синтеза пероксиредоксина Prdx1 в куриных эмбрионах, учёные получили эмбрионы с неразвитыми мотонейронами, аналогичные получаемым при «выключении» гена GDE2.
Чтобы убедится, что отсутствие Prdx1 тормозит развитие мотонейронов именно воздействием на GDE2, а не каким-либо другим путём, исходные белки заменили мутантными, которые не могли образовывать между собой связи. Это полностью затормозило дифференциацию нейронов.
Результаты этого исследования опубликованы в Cell.
Основы развития мозга
За последние несколько десятилетий были достигнуты значительные успехи в нашем понимании основных этапов и механизмов развития мозга млекопитающих. Исследования, касающиеся нейробиологии развития мозга, охватывают уровни организации мозга от макроанатомических, до клеточных и молекулярных. Эти знания обеспечивают картину развития мозга как продукта сложной серии динамических и адаптивных процессов, работающих в условиях ограниченного, генетически организованного, но постоянно меняющегося контекста.
Развитие мозга продолжается в течение длительного периода времени. Мозг увеличивается в четыре раза в дошкольный период, достигая примерно 90% взрослого объема в возрасте до 6 лет. Но структурные изменения в основных отделениях серого и белого вещества ( материи ) продолжаются в детском и подростковом возрасте, и эти изменения в структуре параллельных изменений и функциональной организации, отражаются на поведении детей и подростков. В раннем послеродовом периоде уровень связности нейронов во всем развивающемся мозге намного превышает уровень взаимодействия нейронов у взрослых (Innocenti, Price 2005 ). Эта интнсивная связь постепенно слабеет в своей выраженности вследсвие конкурентных процессов, на которые влияет опыт организма человека. Ранние процессы, зависящие от опыта, лежат в основе пластичности и способности к адаптации, что является отличительной чертой раннего развития мозга.
Дифференциация всех линий эмбриональных стволовых клеток связана с комплексными каскадами молекулярной сигнализации. В начале гаструляции клетки слоя эпибласта, которые будут дифференцироваться в клетки нейронных предшественников, расположены вдоль рострально-каудальной срединной линии двухслойного эмбриона. Дифференциация этих клеток в клетки нейронных предшественников является результатом комплексной молекулярной сигнализации, которая включает в себя несколько продуктов гена (т.е. белков), которые продуцируются несколькими различными популяциями эмбриональных клеток. Напомним, что в начале гаструляции клетки эпибласта начинают мигрировать в определенном направлении, а затем проходят через примитивную полоску. Поскольку подмножество клеток, которые мигрируют вдоль рострально-каудальной срединной линии эмбриона, приближается к открытию, они проходят другую структуру, называемую примитивным узлом, которая расположена на ростральном конце примитивной полосы. Примитивный узел является молекулярным сигнальным центром. Клетки примитивного узла посылают молекулярный сигнал на подмножество клеток, которые мигрируют вдоль рострально-каудальной средней линии эмбриона, и этот сигнал, в свою очередь, вызывает экспрессию генов в мигрирующих клетках. Экспрессия гена в мигрирующей клетке продуцирует белок, который секретируется в пространство между мигрирующими клетками и клетками, которые остаются в области средней линии верхнего слоя эпибласта. Секретируемый белок связывается с рецепторами на поверхности клеток в верхнем слое эмбриона и побуждает клетки эпибласта дифференцироваться в клетки нейронных предшественников.
Зрелый неокортекс разделен на четко определенные структурно и функционально различные «области», которые дифференцируются по их клеточной организации и структурам нейронной связи.
Родословная нейронов: как носить в себе множество мутаций и выглядеть совершенно здоровым
Родословная нейронов: как носить в себе множество мутаций и выглядеть совершенно здоровым
Автор
Редактор
Статья на конкурс «био/мол/текст»: На протяжении долгой истории развития нейробиологии ученые придерживались догмы: мозг взрослого человека не подвержен изменениям. Однако в ходе нового исследования впервые было показано, что значительное количество мутаций присутствует в мозговом веществе абсолютно здоровых людей, причем чаще всего они обнаруживаются в генах, которые нейрон использует наиболее активно. Попробуем разобраться, как этим можно воспользоваться и чем это грозит.
Обратите внимание!
Эта работа опубликована в номинации «лучшее новостное сообщение» конкурса «био/мол/текст»-2015.
Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.
Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.
Мутации: патология или норма?
Каждая клетка нашего тела была создана путем деления клеток-предшественниц, которые, в свою очередь, восходят в развитии к зиготе. Значит ли это, что общий путь развития всех клеток организма обеспечивает общность генетического материала? Нет, и виной тому — мутации (рис. 1).
Рисунок 1. «Древо развития» мутаций в организме человека. Нарушения, обнаруженные в коре головного мозга, часто встречаются и в периферических органах. Рисунок из [4].
Мутации — коварные преобразования ДНК, которые страшны тем, что могут возникать в клетках любых тканей многоклеточного организма и на любых стадиях его развития. Распространено мнение, что мутации опасны потому, что могут наследоваться потомством. Действительно, мутации, передающиеся по наследству, приводят к возникновению и развитию таких серьезных заболеваний нервной системы, как шизофрения, аутизм, болезнь Альцгеймера. Виной тому — приобретаемые детьми генетические нарушения половых клеток родителей. Однако существуют и другие, ненаследуемые мутации, которые возникают в соматических клетках человека на протяжении всей его жизни.
Большинство людей имеет определенное количество соматических мутаций. Известным примером следствий соматических мутаций является появление опухолевых клеток, для которых характерны генетические нарушения*. Однако далеко не всегда соматическая мутация приводит к развитию онкологических заболеваний. Часто изменения генома не выливаются в какие-либо серьезные заболевания и могут встречаться у полностью здоровых людей. До настоящего момента ученые точно не знали, накапливаются ли они в головном мозге в таком количестве, чтобы послужить причиной серьезных нарушений нервной системы.
По мере роста и взросления человека геномы нейронов его головного мозга накапливают существенные различия. К такому выводу пришли ученые Бостонской детской больницы (Boston Children’s Hospital) и Гарвардской медицинской школы (Harvard Medical School), опровергнув утверждение, что мозг взрослого человека не изменяется в течение жизни* [4, 5].
* — Последние годы оказались особенно урожайными на опровержения железобетонных нейробиологических догм. Как нам на радость разобрались с приговором «нервные клетки не восстанавливаются», описано в статье «Всё, что вы всегда хотели знать о взрослом нейрогенезе, но боялись спросить» [6]. — Ред.
Результаты недавнего исследования показали, что значительное количество соматических мутаций можно обнаружить в мозге полностью здоровых людей. Так, со временем геномы нейронов головного мозга человека начинают различаться — появляется мозаицизм. Это научное открытие позволит изучать роль соматических мутаций отдельных нейронов в развитии человека и ряда нервно-психических заболеваний.
Сколько мутаций может содержать в себе геном нейрона?
Ранее не было точно известно, способны ли соматические мутации, возникающие в нейронах головного мозга, провоцировать возникновение и развитие нейродегенеративных заболеваний. Для того чтобы установить истину, ученые решили изучить особую разновидность мутаций — однонуклеотидные варианты (single-nucleotide variants, SNVs). Эти нарушения могут возникнуть в нескольких или даже всего в одной клетке головного мозга. Исследователи проанализировали 36 нейронов, взятых из головного мозга трех умерших людей: 15-летней девушки, 17-летнего юноши и 42-летней женщины, которые не страдали нейродегенеративными заболеваниями.
Используя методы капиллярной цифровой полимеразной цепной реакции (digital PCR) и секвенирования геномов единичных клеток [7], ученые обнаружили, что каждый отдельный нейрон из трех образцов ткани мозга содержит в среднем от 1468 до 1580 однонуклеотидных вариантов (рис. 2). И если появление SNVs в опухолевых клетках связано преимущественно с ошибками при репликации ДНК, то нейронные мутации возникают в основном вследствие активной транскрипции генов.
Рисунок 2. Карта мутаций генома корковых нейронов одного человека. 136 нейронов головного мозга 17-летнего человека распределены по четырем группам (обозначены разными цветами), выделенным по одной или нескольким мутациям (буквами A-D обозначены 18 клональных соматических мутаций). Рисунок из [5].
Дополнительно ученые сравнили гены нервных клеток с генетическим материалом, взятым из других тканей — в частности, сердца и кожи. Этот анализ показал, что мутации в нейронах в целом совпадают с однонуклеотидными вариантами в других типах клеток, то есть такие мутации присутствуют и в нейронах, и в других частях организма человека. Более того, был установлен следующий интересный факт: в ряде случаев клетки коры мозга показывали более высокую степень родства не с соседними нейронами, а с другими клетками организма (например, кардиомиоцитами).
Также было проведено исследование нервных клеток, взятых из разных областей головного мозга, с целью обнаружения аналогичных мутаций. Полученные результаты позволили сделать предположение о происхождении нервных клеток.
«Генеалогическое древо» нейронов
Рисунок 3. «Родословное древо» человека из книги Э. Геккеля «Антропогения». Идея объединения всех живых существ в единое «древо» имеет более чем 150-летнюю историю. Рисунок с сайта vivovoco.astronet.ru.
Мутации возникают как за счет ошибок копирования ДНК, которые потенциально могут сопровождать каждый репликационный цикл, так и в результате иных мутационных процессов — например, под действием ультрафиолетового света. Закономерное следствие — каждая клетка организма может иметь свой собственный уникальный геном, который несет в себе информацию о происхождении и развитии клетки, воздействии на нее внешних факторов. Такие «записи» онтогенеза отдельных клеток позволят создать их «родословное древо».
В разных клетках происходят разные мутации, что обеспечивает несходство геномов. Кроме этого, мутационный профиль несет в себе долговременную память о происхождении и развитии каждой клетки. Информация, полученная при секвенировании геномов индивидуальных нейронов, может быть использована для декодирования всей картины развития человеческого мозга — для реконструкции своеобразного «генеалогического древа» нейронов. Этот подход позволит расширить знания о природе возрастных заболеваний и выявить различия между мозгом человека и мозгом других животных.
Основоположником генеалогии можно считать Чарльза Дарвина, который впервые изобразил филогенетическое древо живых организмов еще в 1837 году. В его основу легла идея о том, что все виды живых существ связаны друг с другом общим происхождением, подобно ветвям дерева, которые объединяет общий корень (рис. 3). Подобные мысли использовали при создании клеточной теории ученые Т. Шванн и М. Шлейден, определившие клетку как единый структурный элемент всех живых организмов. Наконец, более чем через 150 лет, в 2005 году, Д. Фрумкин и соавторы в своем исследовании показали, что соматические мутации присутствуют в клетках в достаточном количестве и могут быть использованы для воссоздания взаимосвязей всех клеток человека [8]. Таким образом, далеко не свежие идеи лежат в основе нового заключения о том, что каждый человек несет в себе собственное (клеточное) генеалогическое древо*.
* — Дерево — это красиво и понятно, дерево — это аллегория из мира эукариот. А как же работают биологи с прокариотическими дебрями, где схемы родственных связей не то что дерево не напоминают, даже лес для них простоват — сеть да и только? Об эволюционных перипетиях в разных мирах читайте: «Эволюция между молотом и наковальней, или как микробиология спасла эволюцию от поглощения молекулярной биологией» [9], «Карл Вёзе (1928–2012)» [10], «Вирусные геномы в системе эволюции» [11] и «Закинули археи эволюционный невод и вытянули. » [12]. — Ред.
Кристофер Уолш и другие сотрудники Гарвардской медицинской школы в результате исследования однонуклеотидных вариантов предложили подход к установлению происхождения нервных клеток человека [5]. Так, если в двух отдельно взятых нейронах присутствуют одни и те же мутации, то они с высокой долей вероятности происходят от одной клетки-предшественницы. В том случае, если совпадает лишь часть мутаций, пути развития нейронов в какой-то момент времени разошлись.
Сравнивая геномы нейронов и других клеток организма, можно сделать следующий вывод: если какая-то мутация присутствует и в головном мозге, и в других соматических клетках — она возникла на раннем этапе онтогенеза. Если же определенная мутация встречается лишь в некоторых нейронах, это говорит о том, что она появилась сравнительно недавно. Таким образом можно проследить «родословную» нейронов вплоть до конкретного дня эмбрионального развития.
«Движение — это смерть»
Выше упоминалось, что мутации, обеспечивающие различия геномов соматических клеток, могут быть вызваны многими факторами. Так, длительное время считалось, что основной причиной мутаций в клетках головного мозга являются ошибки репликации ДНК. Однако в результате настоящего исследования ученые установили, что нарушения возникают не во время деления клетки, а при экспрессии генов. Всем известный девиз «Движение — это жизнь» не работает в случае соматических мутаций нейронов. Исследователи установили, что каждый раз, когда гены нейронов нашего мозга начинают активно работать — запуская программу синтеза новых белков, — появляется определенный риск возникновения мутаций.
Ученые пришли к выводу о том, что мутации в головном мозге накапливаются с возрастом и могут быть причастны к развитию нейродегенеративных заболеваний. Получается, что любой человек, сколь бы здоровым он ни был, является носителем огромного количества соматических мутаций — своеобразных «факторов риска». Чем это реально может грозить и как этого избежать — покажет время и будущие исследования нейробиологов.
Как образуются нейроны головного мозга
Н а протяжении всей своей 100-летней истории нейрон аука придерживалась догмы: мозг взрослого человека не подвержен изменениям. Считалось, что человек может терять нервные клетки, но не обретать новые. Действительно, если бы мозг был способен к структурным изменениям, как бы сохранялась память?
Кожа, печень, сердце, почки, легкие и кровь могут образовывать новые клетки для замены поврежденных. Вплоть до недавнего времени специалисты считали, что такая способность к регенерации не распространяется на центральную нервную систему, состоящую из головного и спинного мозга.
Однако за последние пять лет нейробиологи открыли, что мозг все же меняется в течение жизни: происходит образование новых клеток, позволяющих справиться с возникающими трудностями. Такая пластичность помогает мозгу восстанавливаться после травмы или заболевания, увеличивая свои потенциал ьные возможности.
Нейробиологи на протяжении десятков лет ищут способы улучшить состояние мозга. Стратегия лечения основывалась на восполнении недостатка нейромедиаторов — химических веществ, передающих сообщения нервным клеткам ( нейрон ам). При болезни Паркинсона, например, мозг больного теряет способность вырабатывать нейромедиатор дофамин, поскольку производящие его клетки гибнут. Химический «родственник» дофамина, L-Допа, может временно облегчить состояние больного, но не излечить его. Для замены нейрон ов, погибающих при таких неврологических заболеваниях, как болезни Гентингтона и Паркинсона, и при травмах спинного мозга, нейробиологи пытаются имплантировать стволовые клетки, полученные из эмбрионов. В последнее время исследователи заинтересовались нейрон ами, полученными из эмбриональных стволовых клеток человека, которые при определенных условиях можно заставить образовывать в чашках Петри любые типы клеток человеческого организма.
Несмотря на то что у стволовых клеток много преимуществ, очевидно, следует развивать способности взрослой нервной системы к самовосстановлению. Для этого необходимо ввести вещества, стимулирующие мозг к образованию собственных клеток и восстановлению поврежденных нервных цепей.
Новорожденные нервные клетки
В 1960 — 70-х гг. исследователи пришли к выводу, что центральная нервная система млекопитающих способна к регенерации. Первые эксперименты показали, что основные ветви нейрон ов взрослого головного и спинного мозга — аксон ы могут восстанавливаться после повреждения. Вскоре было обнаружено рождение новых нейрон ов в мозге взрослых птиц, обезьян и людей, т.е. нейрогенез.
Возникает вопрос: если центральная нервная система может образовывать новые нейрон ы, способна ли она восстанавливаться в случае болезни или травмы? Для того чтобы ответить на него, необходимо понять, как происходит нейрогенез во взрослом мозге и каким образом можно его стимулировать.
Рождение новых клеток происходит постепенно. Так называемые мультипотентные стволовые клетки в мозге периодически начинают делиться, давая начало другим стволовым клеткам, которые могут вырасти в нейрон ы или опорные клетки, называемые глией. Но для созревания новорожденные клетки должны избегать влияния мультипотентных стволовых клеток, что удается лишь половине из них — остальные гибнут. Такое расточительство напоминает процесс, происходящий в организме до рождения и в раннем детстве, когда возникает больше нервных клеток, чем необходимо для образования мозга. Выживают только те из них, которые формируют действующие связи с другими.
Станет ли уцелевшая молодая клетка нейрон ом или глиальной клеткой, зависит от того, в каком участке мозга она окажется и какие процессы будут происходить в этот период. Новому нейрон у требуется более месяца, чтобы начать полноценно функционировать. посылать и принимать информацию. Таким образом. нейрогенез представляет собой не одномоментное событие. а процесс. который регулируется веществами. называемыми факторами роста. Например, фактор, названный «звуковой еж» (sonic hedgehog), обнаруженный впервые у насекомых, регулирует способность незрелых нейрон ов к пролиферации. Фактор notch и класс молекул. названных морфогенетическими протеинами кости, видимо, определяют, станет ли новая клетка глиальной или нервной. Как только это произойдет. другие факторы роста. такие как мозговой нейротрофический фактор (BDNF). нейротрофины и инсулинподобный фактор роста (IGF), начинают поддерживать жизнедеятельность клетки, стимулируя ее созревание.
Место действия
Новые нейрон ы возникают во взрослом мозге млекопитающих не случайно и. по всей видимости. образуются только в заполненных жидкостью пустотах в переднем мозге — в желудочках, а также в гиппокампе — структуре, спрятанной глубоко в мозге. имеющей форму морского конька. Нейробиологи доказали, что клетки, которым суждено стать нейрон ами. перемещаются из желудочков в обонятельные луковицы. которые получают информацию от клеток, расположенных в слизистой носа и чувствительных к запаху. Никто точно не знает, почему обонятельной луковице требуется столько новых нейрон ов. Легче предположить, зачем они нужны гиппокампу: поскольку эта структура важна для запоминания новой информации, дополнительные нейрон ы, вероятно. способствуют упрочению связей между нервными клетками, повышая способность мозга обрабатывать и хранить сведения.
Процессы нейрогенеза также обнаружены за пределами гиппокампа и обонятельной луковицы, например, в префронтальной коре — обители интеллекта и логики. а также в других областях взрослого головного и спинного мозга. Последнее время появляются все новые подробности о молекулярных механизмах, управляющих нейрогенезом, и о химических стимулах, регулирующих его. и мы вправе надеяться. что со временем можно будет искусственно стимулировать нейрогенез в любой части мозга. Зная, как факторы роста и локальное микроокружение управляют нейрогенезом, исследователи рассчитывают создать методы лечения, позволяющие восстановить больной или поврежденный мозг.
С помощью стимулирования нейрогенеза можно улучшить состояние пациента при некоторых неврологических заболеваниях. Например. причина инсульта — закупорка сосудов головного мозга, в результате чего из-за недостатка кислорода гибнут нейрон ы. После инсульта в гиппокампе начинает развиваться нейрогенез, стремящийся «вылечить» поврежденную ткань мозга с помощью новых нейрон ов. Большинство новорожденных клеток гибнет, однако некоторые успешно мигрируют к поврежденному участку и превращаются в полноценные нейрон ы. Несмотря на то что для компенсации повреждений при тяжелом инсульте этого недостаточно. нейрогенез может помочь мозгу после микроинсультов,которые часто проходят незамеченными. Сейчас нейробиологи пытаются применять васкуло-эпидермальный фактор роста (VEGF) и фактор роста фибробластов (FGF) для усиления естественного восстановления.
Оба вещества представляют собой крупные молекулы, которые с трудом преодолевают гематоэнцефалический барьер, т.е. сеть тесно переплетенных клеток, выстилающих кровеносные сосуды мозга. В 1999 г. биотехнологическая компания Wyeth-Ayerst Laboratories and Scios из Калифорнии приостановила клинические испытания FGF применяемого для лечения инсульта. поскольку его молекулы не попадали в мозг. Некоторые исследователи пытались решить эту задачу, соединяя молекулу FGF с другой, которая вводила клетку в заблуждение и заставляла ее захватывать весь комплекс молекул и переносить его в ткань мозга. Другие ученые методами генной инженерии создавали клетки, вырабатывающие FGF. и трансплантировали их в мозг. Пока подобные эксперименты проводились лишь на животных.
Стимулирование нейрогенеза может оказаться действенным при лечении депрессии. главной причиной которой (помимо генетической предрасположенности) считается хронический стресс. ограничивающий, как известно. количество нейрон ов в гиппокампе. Многие из выпускаемых лекарственных средств. показанных при депрессии. в том числе прозак. усиливают нейрогенез у животных. Интересно, что для снятия депрессивного синдрома с помощью этого препарата требуется один месяц — столько же. сколько и для осуществления нейрогенеза. Возможно. депрессия отчасти вызвана замедлением данного процесса в гиппокампе. Последние клинические исследования с применением методов визуализации нервной системы подтвердили. что у пациентов с хронической депрессией гиппокамп меньше, чем у здоровых людей. Длительное применение антидепрессантов. похоже. подстегивает нейрогенез: у грызунов. которым давали эти препараты на протяжении нескольких месяцев. в гиппокампе возникали новые нейрон ы.
Как мозг создает новые нейрон ы
Нейрональные стволовые клетки дают начало новым клеткам мозга. Они периодически делятся в двух основных областях: в желудочках (фиолетовый цвет), которые заполнены спинномозговой жидкостью, питающей центральную нервную систему, и в гиппокампе (голубой цвет) — структуре, необходимой для обучения и памяти. При пролиферации стволовых клеток (внизу) образуются новые ствоповые клетки и клетки-предшественники, которые могут превратиться либо в нейрон ы, либо в поддерживающие клетки, называемые глиальными (астроциты и дендроциты). Однако дифференцировка новорожденных нервных клеток может произойти только после того, как они уйдут прочь от своих предков (красные стрелки), что удается в среднем лишь половине из них, а остальные гибнут. Во взрослом мозге новые нейрон ы были обнаружены в гиппокампе и обонятельных луковицах, необходимых для восприятия запахов. Ученые надеются заставить взрослый мозг восстанавливаться, вызывая деление и развитие нейрон альных стволовых клеток или клеток-предшественников там и тогда, где и когда это необходимо.
Как мозг создает новые нейрон ы
Потенциальным средством для восстановления поврежденного мозга исследователи считают два типа стволовых клеток. Во-первых, нейрон альные стволовые клетки взрослого мозга: редкие первичные клетки, сохранившиеся от ранних стадий эмбрионального развития, обнаруженные как минимум в двух областях мозга. Они могут делиться на протяжении всей жизни, давая начало новым нейрон ам и поддерживающим клеткам, называемым глией. Ко второму типу относятся человеческие эмбриональные стволовые клетки, выделенные из зародышей на очень ранней стадии развития, когда весь эмбрион состоит примерно из ста клеток. Такие эмбриональные стволовые клетки могут давать начало любым клеткам организма.
В большинстве исследований производится наблюдение за ростом нейрон альных стволовых клеток в культур альных чашках. Они могут там делиться, их можно генетически пометить и затем трансплантировать назад в нервную систему взрослого индивидуума. В экспериментах, которые пока проводились только на животных, клетки хорошо приживаются и могут дифференцироваться в зрелые нейрон ы в двух областях мозга, где образование новых нейрон ов происходит и в норме, — в гиппокампе и в обонятельных луковицах. Однако в других областях нейрон альные стволовые клетки, взятые из взрослого мозга, не торопятся становиться нейрон ами, хотя могут стать глией.
Устанавливая важные связи
Поскольку проходит около месяца с момента деления нейрон альной стволовой клетки до тех пор, пока ее потомок не включится в функциональные цепи мозга, роль этих новых нейрон ов в поведении, вероятно, определяется не столько родословной клетки, сколько тем, как новые и уже существующие клетки соединяются друг с другом (образуя синапс ы) и с существующими нейрон ами, формируя нервные цепи. В процессе синаптогенеза так называемые шипики на боковых отростках, или дендрит ах, одного нейрон а соединяются с основной ветвью, или аксон ом, другого нейрон а.
Как показывают недавние исследования, дендрит ные шипики (внизу) могут менять свою форму в течение нескольких минут. Это свидетельствует о том, что синаптогенез может лежать в основе обучения и памяти. Одноцветные микро-фотографии мозга живой мыши (красная, желтая, зеленая и голубая) были сделаны с интервалом в одни сутки. Многоцветное изображение (крайнее справа) представляет собой те же фотографии, наложенные друг на друга. Участки, не претерпевшие изменений, выглядят практически белыми.
Микрофотографии мозга живой мыши
Помоги мозгу
Еще одно заболевание, провоцирующее нейрогенез, — болезнь Альцгеймера. Как показали недавние исследования, в органах мыши. которой были введены гены человека, пораженные болезнью Альцгеймера. обнаружены различные отклонения нейрогенеза от нормы. В результате такого вмешательства у животного в избытке вырабатывается мутантная форма предшественника человеческого амилоидного пептида, и уровень нейрон ов в гиппокампе падает. А гиппокамп мышей с мутантным геном человека. кодирующим белок пресенилин. обладал малым количеством делящихся клеток и. соответственно. меньшим числом выживших нейрон ов. Введение FGF непосредственно в мозг животных ослабляло тенденцию; следовательно. факторы роста могут стать хорошим средством лечения этого разрушительного заболевания.
Следующий этап исследований — факторы роста, управляющие различными стадиями нейрогенеза (т.е. рождением новых клеток, миграцией и созреванием молодых клеток), а также факторы, тормозящие каждый этап. Для лечения таких заболеваний, как депрессия, при которой снижается количество делящихся клеток, необходимо найти фармакологические вещества или другие методы воздействия. усиливающие пролиферацию клеток. При эпилепсии, видимо. новые клетки рождаются. но затем мигрируют в ложном направлении, и нужно понять. как направить «заблудшие» нейрон ы по правильному пути. При злокачественной глиоме мозга глиальные клетки пролиферируют и образуют смертельно опасные разрастающиеся опухоли. Хотя причины возникновения глиомы еще не ясны. некоторые полагают. что она возникает в результате неконтролируемого разрастания стволовых клеток мозга. Лечить глиому можно с помощью природных соединений. регулирующих деление таких стволовых клеток.
Для лечения инсульта важно выяснить. какие факторы роста обеспечивают выживание нейрон ов и стимулируют превращение незрелых клеток в здоровые нейрон ы. При таких заболеваниях. как болезнь Гентингтона. амиотрофический боковой склероз (АЛС) и болезнь Паркинсона (когда гибнут совершенно конкретные типы клеток, что ведет к развитию специфических когнитивных или моторных симптомов). данный процесс происходит наиболее часто, поскольку клетки. с которыми связаны эти болезни, располагаются в ограниченных областях.
Возникает вопрос: как управлять процессом нейрогенеза при том или ином типе воздействия, чтобы контролировать количество нейрон ов, поскольку их избыток также представляет опасность? Например, при некоторых формах эпилепсии нейрон альные стволовые клетки продолжают делиться даже после того, как новые нейрон ы уже утрачивают способность устанавливать полезные связи. Нейробиологи предполагают, что «неправильные» клетки остаются недозрелыми и оказываются в ненужном месте. формируя т.н. фикальные корковые дисплазии (ФКД), генерирующие эпилептиформные разряды и вызывая эпилептические припадки. Не исключено, что введение факторов роста при инсульте. болезни Паркинсона и других заболеваниях может заставить нейрон альные стволовые клетки делиться чересчур быстро и привести к сходным симптомам. Поэтому исследователи должны сначала изучить применение факторов роста для индукции рождения, миграции и созревания нейрон ов.
При лечении травм спинного мозга, АЛС или рассеянного склероза необходимо заставить стволовые клетки производить олигодендроциты, одну из разновидностей глиальных клеток. Они необходимы для коммуникации нейрон ов друг с другом. поскольку изолируют длинные аксон ы, проходящие от одного нейрон а к другому. предотвращая рассеяние проходящего по аксон у электрического сигнала. Известно, что стволовые клетки в спинном мозге обладают способностью время от времени производить олигодендроциты. Исследователи применили факторы роста для стимулирования данного процесса у животных с травмой спинного мозга и получили положительные результаты.
Зарядка для мозга
Одна из важных особенностей нейрогенеза в гиппокампе состоит в том, что персональный опыт индивидуума может влиять на скорость деления клеток, количество выживших молодых нейрон ов и их способность встраиваться в нервную сеть. Например. когда взрослых мышей переселяют из обычных и тесных клеток в более удобные и просторные. у них происходит значительное усиление нейрогенеза. Исследователи обнаружили, что тренировки мышей в колесе для бега достаточно для того, чтобы удвоить количество делящихся клеток в гиппокампе, что ведет к резкому увеличению числа новых нейрон ов. Интересно, что регулярная физическая нагрузка может снять депрессию у людей. Возможно. это происходит благодаря активации нейрогенеза.
Если ученые научатся управлять нейрогенезом, то наши представления о заболеваниях и травмах мозга кардинально изменятся. Для лечения можно будет использовать вещества, избирательно стимулирующие определенные этапы нейрогенеза. Фармакологическое воздействие будет сочетаться с физиотерапией, усиливающей нейрогенез и стимулирующей определенные области мозга к встраиванию в них новых клеток. Учет взаимосвязей между нейрогенезом и умственной и физической нагрузками позволит снизить риск возникновения неврологических заболеваний и усилить природные репаративные процессы в мозге.
Путем стимуляции роста нейрон ов в мозге здоровые люди получат возможность улучшить состояние своего организма. Однако вряд ли им понравятся инъекции факторов роста, с трудом проникающих сквозь гематоэнцефалический барьер после введения в кровоток. Поэтому специалисты ищут препараты. которые можно было бы выпускать в виде таблеток. Подобное лекарство позволит стимулировать работу генов, кодирующих факторы роста, непосредственно в мозге человека.
Улучшить деятельность мозга возможно также путем генной терапии и трансплантации клеток: искусственно выращенные клетки, производящие конкретные факторы роста. можно имплантировать в определенные области мозга человека. Также предлагается вводить в организм человека гены, кодирующие производство различных факторов роста, и вирусы. способные доставить эти гены до нужных клеток мозга.
Пока не ясно. какой из методов окажется наиболее перспективным. Исследования, проведенные на животных, показывают. что применение факторов роста может нарушить нормальное функционирование мозга. Процессы роста могут вызвать образование опухолей, а трансплантированные клетки — выйти из под контроля и спровоцировать развитие рака. Такой риск может быть оправдан только при тяжелых формах болезни Гентингтона. Альцгеймера или Паркинсона.
Оптимальный способ стимулирования деятельности мозга — интенсивная интеллектуальная деятельность в сочетании со здоровым образом жизни: физическая нагрузка. хорошее питание и полноценный отдых. Экспериментально подтверждается и то. что на связи в мозге влияет окружающая среда. Возможно. когда-нибудь в жилых домах и офисах люди будут создавать и поддерживать специально обогащенную среду для улучшения функционирования мозга.
Если науке удастся понять механизмы самовосстановления нервной системы, то в скором будущем исследователи овладеют методами. позволяющими использовать собственные ресурсы мозга для его восстановления и совершенствования.
Источник: Мозг, восстанови себя
Дата создания: 04.11.2014
Последнее редактирование: 04.11.2014