» » Установлена последовательность образования связей новых нейронов в мозге взрослых мышей

Установлена последовательность образования связей новых нейронов в мозге взрослых мышей


Установлена последовательность образования связей новых нейронов в мозге взрослых мышей

Рис. 1. Области мозга, в которых происходит обновление нейронов у взрослых животных. OB (Olfactory bulb) — обонятельная луковица, SVZ (Subventricular zone) — субвентрикулярная зона (место образования предшественников нейронов), RMS (Rostral migratory stream) — ростральный миграционный тракт, HIPP (Hippocampus) — гиппокамп. На увеличенном изображении гиппокампа (вверху справа) красным показана зубчатая извилина (DG, Dentate gyrus)


Со школы мы слышим, что нейроны не делятся и не обновляются. Хотя первое утверждение верно, второе нельзя считать абсолютно правильным. В мозге взрослых млекопитающих, как и в других органах, есть особые стволовые клетки, которые способны при определенных условиях делиться; продуктом такого деления являются нейроны. Получившиеся нервные клетки мигрируют в одну из двух структур, где нейроны всё же обновляются, — зубчатую извилину гиппокампа или обонятельную луковицу. Сейчас, с распространением трансгенных лабораторных мышей и техники модификации генома клеток посредством вирусов, удалось не только доказать факт образования новых нейронов у взрослых животных, но и показать, как происходит их встраивание в уже готовую систему связей. И в зубчатой извилине, и в обонятельной луковице новые нервные клетки сначала образуют связи с ближайшими соседями, а уже потом «пускают отростки» к клеткам из более далекого окружения.

Не так давно идея о том, что число нервных клеток у животного может с течением жизни только уменьшаться, была опровергнута открытием: в некоторых участках мозга новые нейроны всё-таки появляются! Так же, как и любые другие специализированные клетки, они рождаются благодаря делению не уже сформировавшихся нейронов, а их предшественников, которые, в свою очередь, являются потомками стволовых клеток. Созревая, то есть приобретая физиологические и биохимические особенности функционального элемента нервной системы, новорождённые нейроны, разумеется, должны образовывать связи с теми взрослыми «коллегами», которые их окружают. Но как именно это образование происходит? Для того чтобы ответить на этот вопрос, нужно найти метод исследования, который позволил бы увидеть один-единственный нейрон, его отростки и отростки тех клеток, с которыми у нашего нейрона образованы связи.

Таким методом стало моносинаптическое отслеживание связей с использованием вирусных векторов. Под этим нагромождением специальных терминов скрывается такой смысл: определенный участок мозга искусственно инфицируется вирусом, чей геном был изменён исследователями так, чтобы, во-первых, модифицированный вирус не вызывал болезнь, возбудителем которой является «дикий» его тип, а во-вторых, экспрессия генов этого вируса должна ограничиваться по возможности одним целевым нейроном, в который этот вирус попал. Разумеется, продукты экспрессии вирусного генома должны проникнуть и в отростки той клетки, с которой наш нейрон имеет контакты, иначе первоначальная цель — прослеживание связей клетки — не будет достигнута.

Впрочем, один вопрос всё же остается: как понять, инфицирована клетка или нет? Как говорилось выше, генетический материал выбранного для внедрения в мозг вируса изменяют. Чтобы понять, какой нейрон и какой отросток несет в себе продукты жизнедеятельности вируса, в его нуклеиновую кислоту встраивают последовательности, с которых синтезируются либо особые флуоресцирующие белки, либо такие белки, к которым существуют антитела, мечение которыми также будет заметно при микроскопическом исследовании инфицированного участка мозга.

Те два участка головного мозга (зубчатая извилина и обонятельная луковица), где возможно появление новообразованных нейронов, являются соответственно частями гиппокампа и обонятельной системы — областей мозга, в которых происходит постоянное обновление, если можно так выразиться, смыслового содержимого (рис. 1). Гиппокамп — это структура, которая, помимо прочего, участвует в переводе информации из кратковременной памяти в долговременную, поэтому имеющиеся там клетки вынуждены работать «на износ», а стало быть, их требуется заменять. Такая замена особенно активно происходит в зубчатой извилине (см. также Dentate gyrus) гиппокампа. А нервные клетки, выполняющие функцию рецепторов запахов и находящиеся в обонятельной луковице (см. Olfactory bulb), чьи молекулы-детекторы пахучих веществ быстро приходят в негодность, живут всего лишь два месяца, после чего заменяются новыми нейронами.

Здесь нужно отметить, что новые нейроны образуются не там, где они впоследствии встраиваются в сеть связей. Для зубчатой извилины и обонятельной луковицы есть особые нейрогенные области — субгранулярная и субвентрикулярная (она же субэпендимная) зоны соответственно. Субгранулярная зона входит в область зубчатой извилины, а субэпендимная находится на некотором отдалении от обонятельной луковицы. Нейральные стволовые клетки, находящиеся в упомянутых областях, делятся, и продуктом этого деления являются предшественники нейронов — нейробласты. Далее нейробласты мигрируют в те части зубчатой извилины и обонятельной луковицы, где мы как раз и можем наблюдать появление новых нейронов из этих предшественников.

Итак, главная цель — отследить порядок образования связей между новопришедшими нейронами и зрелыми клетками. Авторам обсуждаемого исследования удалось решить одну из частей задачи: выяснить, какие нейроны в цепях связей предшествуют «новичкам», то есть являются по отношению к ним пресинаптическими. Это было сделано следующим образом. Исследователи взяли вирус бешенства и модифицировали его геном так, что получившийся вирус (RABV, от англ. rabies virus) мог передаваться только тем клеткам, на поверхности которых присутствовал особый белок TVA — рецептор к компоненту оболочки возбудителя бешенства, причем рецептор в такой форме, которая присутствует у птиц, но не у млекопитающих. Поскольку птичий рецептор (белок) для организма мыши тоже чужеродный, его нужно было ввести извне. Для этой цели использовали другой агент — специально сконструированный ретровирус, несущий в себе ген TVA, а также ген красного флуоресцирующего белка DsRed. Его инъецировали в нужные участки мозга взрослых мышей (в возрасте 8–10 недель). Далее те клетки, которые в момент заражения активно делились, получали ретровирус с геном TVA и начинали после деления экспрессировать последний. Для некоторых случаев использовали трансгенных животных, у которых еще до рождения присутствовал ген TVA.

Таким образом, для отслеживания связей нейронов требовалось сначала ввести в интересующие нас участки мозга ретровирус, экспрессирующий TVA и DsRed, а затем, через некоторое время, и вирус бешенства, содержащий в своей ДНК ген зеленого флуоресцирующего белка GFP. Те нейроны, которые оказались инфицированы ретровирусом, при рассмотрении под конфокальным микроскопом имели красный цвет, а те клетки, в которые попал вирус RABV, флуоресцировали зеленым. Поскольку вирус бешенства распространяется вместе с током веществ по отросткам нейронов, он из «зеленых» нервных клеток должен попадать в «красные». Те нейроны, которые оказались таким образом носителями и ретровируса, и вируса бешенства, под конфокальным микроскопом выглядели желтыми (рис. 2).


Установлена последовательность образования связей новых нейронов в мозге взрослых мышей

Рис. 2. Внешний вид нейронов, инфицированных различными вирусами и несущих красный и зеленый флуоресцирующие белки DsRed и GFP, на срезах под конфокальным микроскопом. Клетки, в которых присутствуют оба варианта флуоресцирующих белков, отмечены желтыми треугольниками. A и B — схема и фотография среза зубчатой извилины (длина масштабной линейки — 30 мкм). C — фотография среза обонятельной луковицы (длина масштабной линейки — 50 мкм). Изображения из обсуждаемой статьи в PNAS


Что означает желтое свечение нейрона в контексте сети связей между клетками? Это означает, что к данному нейрону «проросли» аксоны клеток, содержащих видоизмененный RABV. Такие клетки (светящиеся зеленым) в цепи передачи сигнала стоят первыми по отношению к «желтым». При этом «желтеет» всегда только та клетка, в которой изначально присутствовал красный флуоресцентный белок, поскольку эта же самая клетка имеет на себе рецептор, позволяющий вирусу бешенства входить в нее. Наличие в клетке RABV, напротив, за редкими исключениями препятствует проникновению в нее использованного в обсуждаемой работе ретровируса.

Чтобы выявить не просто наличие связей между клетками, а последовательность образования этих связей, нужно наблюдать за явлением в динамике. Однако «жизнь» одного среза мозга не так велика, чтобы новый нейрон успел создать полный набор контактов с окружающими его клетками. Поэтому пришлось использовать несколько серий срезов одних и тех же участков гиппокампа и обонятельной луковицы; при этом животные, которых использовали для различных серий, проживали разное время от инъекции вирусов до процедуры извлечения мозга (как правило, от двух до семи недель). На протяжении этого времени новые нейроны и зубчатой извилины, и обонятельной луковицы сначала (приблизительно в первые две недели своего существования) образовывали связи с аксонами ближайших пресинаптических клеток, в которых нейромедиатором была гамма-аминомасляная кислота (ГАМК).

Во многих учебниках упоминается то, что ГАМК — тормозный нейромедиатор, что не вполне корректно. Вообще говоря, то, каким (тормозным или возбуждающим) будет действие того или иного вещества, определяется по большей части рецепторами к этому соединению, имеющимися на мембране конкретной клетки. Биохимические процессы, следующие за активацией одного типа рецепторов, могут приводить к облегчению подачи сигнала нейроном (то есть собственно возбуждению), а другая последовательность реакций, запускаемая при активации другого типа рецепторов, соответственно, усложняет для клетки подачу сигнала (мы говорим, что это и есть торможение). Поскольку рецепторы к нейромедиаторам — белковые молекулы, изменение их пространственной структуры (конформации) может стать причиной того, что рецептор, ранее запускавший «возбуждающий» каскад реакций, начнет вызывать «тормозный». Так и происходит с рецепторами на наших «желтых» нейронах в конце первой недели их жизни. Как показало отслеживание связей в данной статье, в таком изменении свойств ГАМК-рецептора, по крайней мере в обонятельной луковице, могут быть задействованы клетки, выделяющие нейромедиатор ацетилхолин, так как в эти же сроки они начинают активно связываться с нейронами, чьи пресинаптические контакты исследователи пытались определить.

Затем, примерно с конца второй недели после введения ретровируса, исследуемые клетки начинали образовывать контакты с более дальними соседями, выделявшими в качестве переносчика сигнала глутамат. Здесь важно отметить, что поначалу достаточно долгое время число тормозных ГАМК-входов сильно превышало количество глутаматных. Авторы предположили, что такой дисбаланс связей способствует тому, чтобы легко возбудимые новые клетки своей чрезмерной активностью не нарушали работу уже сложившейся нейронной сети.

Важный вывод из этого исследования заключается в том, что в обоих рассмотренных структурах новообразованные нейроны сначала связываются со своим ближайшим окружением, а затем уже с более удаленными клетками. Возможно, эта последовательность образования контактов является общей для многих случаев интеграции нервных клеток в уже существующую сеть. К тому же изменение соотношения далеких и близких связей клетки может отражать ее взросление, то есть переход от выполнения функций молодых элементов к работе, соответствующей зрелым нейронам.

Источник: Aditi Deshpande, Matteo Bergami, Alexander Ghanem, Karl-Klaus Conzelmann, Alexandra Lepier, Magdalena Gotz, and Benedikt Berninger. Retrograde monosynaptic tracing reveals the temporal evolution of inputs onto new neurons in the adult dentate gyrus and olfactory bulb // Proceedings of National Academy of Sciences. March 19, 2013. V. 110. No. 12. P. E1152-E1161. Published online before print 4 March 2013. Doi: 10.1073/pnas.1218991110.

Светлана Ястребова


05 октябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Асимметричное деление стволовых клеток сопровождается сортировкой гистонов

Стволовые клетки способны к асимметричному делению (одна из дочерних клеток остается стволовой, а другая дает начало специализированным клеткам). Американские биологи обнаружили, что при

Обнаружен новый тип синаптической депрессии

В ходе развития организма сила передачи сигнала в отдельно взятом синапсе (контакте между двумя нейронами) может как увеличиваться (потенциация), так и уменьшаться (депрессия). Синаптическая

Костные трансплантаты можно получать из перепрограммированных человеческих клеток

Американские исследователи впервые прошли весь путь по превращению специализированных клеток человека (фибробластов кожи и клеток костного мозга) в клетки костной ткани. Косточки, выращенные из этих

Остеоцит в искусственном матриксе

На этой фотографии, сделанной при помощи сканирующего электронного микроскопа, запечатлен черепной остеоцит — клетка костной ткани позвоночных животных...
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Камеры заднего видаКалькулятор тарифов Яндекс на таксиОсновные преимущества керамической плиткиАвтосвет, нюансы ремонта и обслуживанияВьетнамские дети попрыгали через мертвую змею вместо скакалкиСамостоятельные путешествия, что важно знатьСтруктура РишатНа реке Генхе в Китае появился редкий вращающийся ледяной диск