Природа создает организм с большим запасом клеток самого разного назначения. Но не все ткани получили от природы регенерационную способность, на протяжении жизни они теряют клетки, гибель которых запрограммирована генетически. Утрата некоторых их разновидностей, ответственных за жизненно важные процессы, ранее считалась необратимой. Так, до недавних пор ученые были уверены, что невосстановимыми являются нервные клетки — нейроны.
Но почему же с годами человек не утрачивает способности к мозговой деятельности — к запоминанию, обучению? Во-первых, из-за пластичности нервной системы: функции погибших нейронов тут же берут на себя их коллеги, увеличиваясь в размерах и формируя новые связи внутри системы. А, во-вторых, предположение о том, что нервные клетки не восстанавливаются, оказалось неверным. Нейроны обладают способностью к восстановлению своей “популяции”, пусть и не самым традиционным образом.
— Появление новых нервных клеток идет в мозге постоянно, в течение всей жизни организма, — рассказывает заведующая лабораторией нейробиологии НИИ биологии и биофизики Марина Ходанович. — Этот процесс активизируется при поражениях головного мозга — ишемии, болезни Альцгеймера, различных травмах. Происходит восстановление, но, увы, не стопроцентное. Отсюда такое большое внимание к проблеме нейрогенеза со стороны ученых и общественности: а можно ли усовершенствовать процесс, запрограммированный природой? За рубежом информационный бум по этой тематике начался еще в прошлом десятилетии, и интерес к ней стабильно высокий. Российские коллеги подключились к изучению нейрогенеза недавно, в основном благодаря тому, что появилось современное оборудование, расширились международные связи.
“Рождение” нервных клеток
Каким же образом происходит воссоздание численности нейронов?
В ряде участков головного мозга сформирован пул стволовых клеток, которые в определенных условиях начинают интенсивно делиться. При этом одна из двух клеток остается стволовой, а вторая становится прогениторной — так называются клетки-предшественницы, “полуфабрикаты”, готовые превратиться в определенный тип клеток. Прогениторные клетки могут претерпевать еще несколько делений. Часть клеток гибнет, так и не “определившись”. Но многие из них в итоге завершают свою миссию успешно: получают определенные свойства и становятся, например, нейронами.
— В норме стволовые клетки делятся в ограниченном количестве. Когда происходят какие-то повреждения, процесс ускоряется. Хочу заметить, что последние исследования показали: набор стволовых клеток ограничен, их возможности для деления тоже не бесконечны. С возрастом мы теряем стволовые клетки, а значит, снижаются регенеративные способности мозга, — рассказывает Марина Юрьевна.
Вопрос о том, что заставляет стволовые клетки ускорить деление с целью восполнения численности нейронов, пока остается открытым. Одно из предположений — этот процесс стимулируют продукты гибели нервных клеток. Но как это происходит, ученые пока не могут сказать. Как не могут дать ответы на многие вопросы о происходящем в головном мозге. Одна из причин заключается в том, что сегодня нет возможности изучать процесс нейрогенеза на живом организме. Пока исследования проводятся на подопытных животных: специальным образом помеченные клетки можно увидеть только с помощью флуоресцентного микроскопа на срезе мозга.
— Исследования нервных клеток мы начинали с изучения взаимосвязи нейрогенеза и обучения, сейчас интерес сместился в сторону изучения патологий нервной системы: ишемии, рассеянного склероза и других, — говорит Марина Ходанович. — Мы создаем экспериментальные модели патологии у животных: конечно, эти изменения не тождественны таковым у человека, но основные черты на уровне клеточных механизмов те же. Параллельно мы пытаемся найти путь изучения всех этих процессов на живом организме, что позволит оценивать нейрогенез у человека при различных патологиях мозга.
Обучаемый нейрон
— Идея взаимосвязи обучения и появления новых нервных клеток лежит на поверхности, — говорит сотрудник лаборатории нейрогенеза Николай Немирович-Данченко. — Новые нейроны образуются, включаются в существующие нейрональные сети и изменяют свойства этих сетей. Естественно предполагать, что такая пластичность мозга может быть задействована в процессах обучения.
В лаборатории НИИ ББ Николай с коллегами проводят эксперименты, позволяющие собрать доказательства связи нейрогенеза и восприятия новой информации. Способность к обучению предположительно связана с возрастом нейронов. Когда новая недифференцированная клетка приобретает свойства нервной, у нее появляются отростки — аксоны и дендриты. Через пару недель они достигают своих мишеней — районов других клеток, с которыми образуют синаптические связи. Пока этих связей нет, обучение действует на клетку отрицательно — нейрон погибает. По мере старения нервной клетки синаптическая пластичность снижается. А вот момент наивысшей пластичности совпадает с чувствительным периодом нейрона — стадией развития, когда нервная клетка адаптирована к узнаванию нового. Информация, полученная в этот пиковый момент, воспринимается и хранится в памяти.
— Для изучения процессов в пиковый момент мы предъявляем животным информацию, которой они раньше не имели: например, сажаем крысу в клетку, где много разных предметов, — рассказывает Николай. — Спустя какое-то время мы вновь помещаем животное в ту же обстановку и проверяем, как активируются те нейроны, которые находились на чувствительной стадии в первой части опыта. Нужные нам нервные клетки уже заранее помечены с помощью маркера. Мы вводим в организм аналог нуклеотида, который встраивается в ДНК клеток и позволяет отличить их от других. Таким образом, мы можем найти нейроны, которые образовались в интересующий нас момент.
Связь нейрогенеза и обучения не настолько прямолинейна и проста, как может показаться. У этой проблемы много аспектов: например, высокий уровень нейрогенеза коррелирует с более легким запоминанием новой информации — растет количество нейронов, формируются новые синаптические связи, позволяющие лучше запоминать. Обучение сопряжено с активацией нейронов, от которой зависит их выживаемость. С другой стороны, новые нейроны, включаясь в сеть, могут нарушить воспроизведение старой информации, которая запоминалась когда-то раньше.
— У нас работает один студент, который легко запоминает информацию и легко забывает. Я предполагаю, что у него повышенный уровень нейрогенеза, — говорит Николай с улыбкой. — Но проверить это сложно, потому что на данном уровне развития нейробиологии мы не можем оценить уровень нейрогенеза у живых организмов — ни у животных, ни у людей. Можно сказать, наша наука находится в начале своего пути, и делать глобальные выводы пока рано.
На живом примере
Но неживой мозг не может дать ответы на многие вопросы. Поэтому методы исследования нейрогенеза разрабатывают во многих лабораториях мира. Один из путей решения проблемы появился у физиологов ТГУ: почему бы не попытаться изучать эти процессы по данным томографии мозга? Такой проект томичи развивают совместно с коллегой из Университета Вашингтона (Сиэтл, США) профессором Василием Ярных (на снимке).
— На сегодняшний день визуализация нейрогенеза при жизни невозможна, — говорит профессор. — В то же время разработка методов и подходов для достижения этой цели является одним из самых актуальных в мире направлений исследований, хотя пока однозначного решения не найдено нигде. Мы хотим опробовать изучение нейрогенеза с помощью магниторезонансной томографии. Предположительно, процесс формирования нервных клеток связан с миелогенезом, для наблюдения которого можно применить некоторые современные разработки в области МРТ. Клетки-предшественницы и стволовые клетки в мозге могут дифференцироваться в нейроны, а могут — в олигодендроциты — клетки, которые отвечают за продукцию миелина.
Миелин — это изоляционный материал нервных волокон. Он так же, как и нейроны, поражается при ряде заболеваний и при травмах. Мы ожидаем, что развитие новых нейронов будет сопровождаться увеличением продукции миелина, который необходим для формирования новых нервных связей, обеспечиваемых аксонами.
Профессор Ярных недавно предложил уникальную методику для определения содержания миелина в тканях мозга с помощью МРТ. Эта методика успешно апробирована в клинических и доклинических исследованиях. И вот в мае Василий Леонидович приехал в Томск, чтобы вместе с коллегами вплотную приступить к проекту по использованию томографии для изучения нейрогенеза.
Уникальное оборудование для МРТ мелких лабораторных животных есть только в Институте цитологии и генетики СО РАН в Новосибирске. В июне ученые ТГУ провели несколько дней в новосибирском Академгородке, готовясь к экспериментам, которые запланированы на осень.
— Это комплексное исследование: мы создадим на животных модели заболеваний мозга, а затем будем их исследовать по определенной схеме на аппарате МРТ, — поясняет Василий Леонидович. — Методики томографии, которые мы собираемся использовать в этом проекте, весьма нестандартны. В частности, моя область — это разработка количественных методов, которые позволяют получить не только “картинку”, но и количественную информацию о состоянии тканей, о конкретных биофизических параметрах, которые характеризуют биохимический состав этих тканей и, в частности, содержание миелина. Сейчас мы разрабатываем методику исследования, а серийные измерения проведем уже осенью.
Исследования процессов, происходящих в мозге, сегодня являются действительно авангардом современной физиологии. И ученые лаборатории нейрогенеза Томского государственного университета имеют все шансы сделать крупные открытия в этой области.
В каком отделе мозга происходит нейрогенез?
Для млекопитающих считаются доказанными две нейрогенные зоны: зубчатая извилина гиппокампа и субвентрикулярная зона вблизи боковых желудочков мозга. Эти две зоны различаются по назначению образовавшихся нейронов. Нейроны гиппокампа включаются в сеть в верхних слоях отдела, который отвечает за пространственную память, обучение. В субвентрикулярной зоне происходит более долгая и длинная миграция. Там образуется больше предшественников нейронов, они мигрируют в обонятельную луковицу, где становятся частью нервной сети.
Откуда еще берутся новые нейроны?
Недавно в научных журналах появились данные о том, что при серьезных изменениях, когда область поражения — это практически весь мозг, в процесс нейрогенеза вступают глиальные клетки. Это уже дифференцированные клетки, которые выполняют множество вспомогательных функций в мозге (питание, защита и опора нейронов). Они тоже могут приобретать свойства стволовости и, возможно, давать начало новым нейронам.
Яна ПЧЕЛИНЦЕВА
Фото Алены КАРДАШ
Нет комментариев