Генетика, геномика и мозг
Недавно завершенное секвенирование генома человека, мышей, плодовой мухи Drosophila melanogaster и червя нематоды Caenorhabditis elegans является, возможно, логической отправной точкой для изучения мозга и остальной нервной системы;
В конце концов, эта наследственная информация также является отправной точкой для каждого отдельного организма. Относительная простота получения, анализа и корреляции последовательностей генов с нейробиологическими наблюдениями позволила получить множество новых представлений об основной биологии нервной системы.
Параллельно с изучением нормальной нервной системы генетический анализ родословных человека с различными заболеваниями мозга привел к широкому распространению мнения о том, что вскоре станет возможным понять и лечить заболевания, которые долгое время считались недоступными для науки и медицины. Ген состоит из последовательностей ДНК, называемых экзонами, которые транскрибируются в РНК посланника, а затем в белок.
Набор экзонов, определяющих транскрипцию любого гена, окружен регуляторными последовательностями, которые контролируют экспрессию гена, расположенными выше (или 5′) и ниже (или 3′) по течению. Кроме того, последовательности между так называемыми интронами - дальнейшая транскрипция влияния. Из примерно 35 000 генов в геноме человека большинство экспрессируются в развивающемся и взрослом мозге; то же самое относится к мышам, мухам и червям - видам, широко используемым в современной генетике.
Тем не менее, очень немногие гены однозначно экспрессируются в нейронах, что указывает на то, что нервные клетки обладают большинством основных структурных и функциональных свойств других клеток. Соответственно, большая часть "мозговой" генетической информации должна находиться в остальной части последовательностей нуклеиновых кислот - регуляторных последовательностей и интронов, которые контролируют сроки, количество, изменчивость и клеточную специфичность экспрессии генов.
Одним из наиболее многообещающих дивидендов секвенирования генома человека является осознание того, что один или несколько генов, при изменении (мутации), могут начать объяснять некоторые аспекты неврологических и психиатрических заболеваний.
До "постгеномной эпохи" (которая началась после завершения секвенирования генома человека) многие из самых разрушительных болезней мозга оставались в основном загадочными, поскольку не было понимания того, как и почему нормальная биология нервной системы была поставлена под угрозу.
Выявление генов, коррелирующих с такими расстройствами, как болезнь Хантингтона, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, большая депрессия и шизофрения, дало многообещающее начало более глубокому пониманию этих патологических процессов (и, следовательно, разработке рациональных методов лечения). Генетическая и геномная информация сама по себе не полностью объясняет, как обычно работает мозг или как болезненные процессы нарушают его функцию. Для достижения этих целей не менее важно понимать клеточную биологию, анатомию и физиологию мозга в области здоровья, а также заболевания.
Клеточные компоненты нервной системы
В начале девятнадцатого века клетка была признана основной единицей всех живых организмов. Однако только в начале двадцатого века неврологи согласились с тем, что нервная ткань, как и все другие органы, состоит из этих фундаментальных единиц.
Основная причина заключалась в том, что первое поколение "современных" нейробиологов в девятнадцатом веке столкнулось с трудностями при решении унитарной природы нервных клеток с помощью микроскопов и методов окрашивания клеток, которые были тогда доступны.
Эта неадекватность усугублялась необычайно сложными формами и обширными ветвями отдельных нервных клеток, что в дальнейшем скрывало их сходство с геометрически более простыми клетками других тканей . В результате некоторые биологи той эпохи пришли к выводу, что каждая нервная клетка связана со своими соседями протоплазматическими связями, образуя непрерывную сеть нервных клеток, или сетку.
Ретикулярная теория" нервно-клеточной коммуникации, которую отстаивал итальянский нейропатолог Камилло Гольги (для которого в клетках назван аппарат Гольги), в конце концов провалилась и была заменена так называемой "нейронной доктриной".
Основными сторонниками этой новой перспективы были испанский нейроанатом Сантьяго Рамоон-и-Кахаль и британский физиолог Чарльз Шерингтон. Контрастные взгляды, представленные Гольги и Каджалом, вызвали оживленную дискуссию в начале двадцатого века, которая задала направление современной неврологии.
Основываясь на легком микроскопическом исследовании нервной ткани, окрашенной солями серебра в соответствии с методом, впервые разработанным Гольги, Каджал убедительно доказывал, что нервные клетки являются дискретными образованиями, и что они общаются между собой с помощью специальных контактов, которые Шеррингтон назвал "синапсами". Работа, которая легла в основу этих дебатов, получила признание благодаря присуждению Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1906 году как Гольги, так и Каялу (совместная премия свидетельствует о сохраняющейся озабоченности по поводу того, кто был прав несмотря на неопровержимые доказательства Каджала).
Последующая работа Шерингтона и других, демонстрирующая передачу электрических сигналов на синаптических стыках между нервными клетками, обеспечила сильную поддержку "нейронной доктрине", но проблемы с автономией отдельных нейронов остались.
Только с появлением электронной микроскопии в 1950-х годах удалось устранить все сохраняющиеся сомнения в дискретности нейронов. Изображения с высоким увеличением и высоким разрешением, которые можно было получить с помощью электронного микроскопа, ясно показали, что нервные клетки являются функционально независимыми единицами; такие изображения также выявили специализированные клеточные соединения, которые Шерингтон назвал синапсами.
Гистологические исследования Каяла, Гольги и множества наследников привели к дальнейшему консенсусу о том, что клетки нервной системы можно разделить на две широкие категории: нервные клетки (или нейроны) и поддерживающие клетки под названием нейроглия.
Нервно-паралитические клетки специализируются на электрической сигнализации на больших расстояниях, и понимание этого процесса является одной из наиболее драматических историй успеха в современной биологии . Поддерживающие клетки, напротив, не способны к электрической сигнализации, тем не менее, они обладают рядом существенных функций в развивающемся и взрослом мозге.