Голод мешает развитию мозга, но голодные клетки начинают расти, когда пища становится доступной.
Мы все знаем, что пища необходима для здорового развития мозга и тела, особенно на самых ранних этапах жизни. Но как именно ранний рост мозга зависит от питания, не так хорошо понимается, особенно на клеточном уровне.
Одной из причин такого непонимания является сложность изучения животных до их рождения. Но в исследовании с участием головастиков, которые развиваются полностью вне утробы матери, ученые смогли найти новые данные о том, как клетки мозга реагируют - и восстанавливаются после - недостаточного питания.
"С головастиками мы можем посмотреть на ранние стадии развития мозга, которые обычно недоступны для нас", - говорит клеточный биолог Кэролайн МакКиун, доктор философии, старший научный сотрудник лаборатории нейронаук Холлиса Клайна, доктор философии и ведущий автор исследования.
"Это исследование впервые показало нам, что у позвоночных животных есть клеточные сигнальные пути, которые являются неотъемлемой частью клеточного деления нервных стволовых клеток, чувствительных к питательным веществам. Эти результаты могут привести к новым подходам к началу и остановке роста клеток в мозгу".
Исследования, имеют множество потенциальных применений, включая усовершенствованную дородовую помощь людям. МакКиун сказал, что результаты исследования также будут способствовать текущим исследованиям в лаборатории о роли нейронных стволовых клеток в восстановлении после черепно-мозговой травмы.
Как правило, в головастике и у большинства животных стволовые клетки, известные как "нейронные прогениторы", процветают на ранних стадиях развития. Эти клетки в конечном счете созревают в нейроны, клеточный тип в мозгу управления мыслью и действием.
В предыдущем исследовании МакКиун и Клайн обнаружили, что когда головастиков лишили пищи, их нейронные клетки-предшественники перестали делиться, и рост их организма снизился, но животные оставались живы и их поведение казалось нормальным. Удивительно, но если головастики смогли получить доступ к пище в течение примерно девяти дней, нейронные клетки-предшественники в мозгу снова начали делиться, и головастики достигли состояния роста, в котором они были бы, если бы пища всегда была доступна.
Внимание МакКиун привлекли вопросы о жизни и смерти: Что заставило нейронные прогениторные клетки снова разделиться? И как это работает? В новом исследовании определили клеточные механизмы, лежащие в основе этой реакции развития.
"Мы знаем, что многие из этих фундаментальных клеточных явлений сохраняются во всех видах животных, поэтому вполне возможно, что млекопитающие также способны противостоять пренатальному дефициту питательных веществ", - говорит МакКиун.
Как только исследователи обнаружили, что раннее развитие мозга может восстановиться после периодов без пищи, они хотели понять, что происходит на клеточном уровне, чтобы сказать нейронным прогениторам, чтобы прекратить разделение и начать заново. Они проследили его до хорошо известного сигнального пути, известного как mTOR (сокращение от "млекопитающей мишени рапамицина"), который является центральным регулятором клеточного метаболизма, роста, пролиферации и выживания.
Интересно, что даже не снабжая головастиков никакой пищей, их мозг может быть перезапущен в режим роста, активировав рецептор инсулина, который находится на поверхности нейронных прогениторных клеток, говорит Клайн.
Инсулин - это гормон, который позволяет клеткам использовать сахар из пищи в качестве энергии и может активировать сигнал mTOR. Возможность обойти потребность в питании на клеточном уровне может способствовать прогрессу в медицинской терапии при плохом питании.
Тщательно отслеживая со временем нейронные клетки-предшественники, МакКиун также обнаружил, что они готовы делиться, как только до них дойдут сигналы питательных веществ. Это означало, что клетки прекратили свое развитие, когда находились на грани раскола. Обычно это наблюдается в клетках, находящихся под стрессом, и явно голод является одним из видов стресса.
"Изучение способности головастиков реагировать на неопределенности окружающей среды помогло нам лучше понять, как консервативные клеточные события влияют на развитие мозга", - говорит МакКиун.
"Наблюдение, что пища влияет на деление клеток мозга уже было известно, но никто не копал глубже, как пища имеет этот эффект", добавляет Клайн, профессор нейронауки и заведующий кафедрой нейронауки в Ла-Холла. "Мы предполагаем, что эти знания станут полезными для понимания того, что может произойти не так в отсутствие питания матери и как важно быстро реагировать на подобное событие".
