Исследователи десятилетиями спорят о том, могут ли клетки мозга называющиеся астроцитами передавать сигналы, как это делают нейроны. Недавно учёные опубликовали убедительные доказательства того, что некоторые астроциты участвуют в электрическом общении.
Без коммуникации мозг — ничто. Нейроны — это «болтуны» этого органа общения, и они разговаривают друг с другом, обмениваясь электрическими импульсами, используя химических «связных», именуемых нейротрансмиттерами. Повторяя этот процесс миллиарды раз в секунду, мозг преобразует скопления химических веществ в скоординированные действия, воспоминания и мысли.
Исследователи изучают как работает мозг, подслушивая этот химический разговор. Но нейроны разговаривают так громко и часто, что если есть другие, более тихие голоса, услышать их может оказаться непросто.
На протяжении большей части 20-го века нейробиологи в основном соглашались в том, что нейроны — единственные клетки мозга, распространяющие электрические сигналы. Считалось, что все остальные клетки мозга, именуемые глией, выполняют исключительно вспомогательную роль. Затем, в 1990 году, возник любопытный феномен: исследователи заметили, что астроцит, подтип глиальных клеток, реагировал на глутамат, основной нейромедиатор, генерирующий электрическую активность.
В последующие десятилетия исследовательские группы приходи к противоречивым данным: некоторые сообщали, что астроциты генерируют сигналы, другие возражали, что это определенно не так. Разногласия разыгрывались на конференциях и появлялись в обзоре за обзором. Обе стороны казались непримиримыми.
В новой статье, опубликованной в сентябре в журнале Nature, представлено лучшие на данный момент доказательства того, что астроциты могут передавать сигналы. Данные собирались в течение восьми лет командой под руководством Андреа Вольтерра, посещающего профессора Центра Висса по био- и нейроинженерии в Женеве, Швейцария. Исследование включает в себя два ключевых доказательства: изображения глутамата, вытекающего из астроцитов, и генетические данные, свидетельствующие о том, что эти клетки, получившие название глутаматергические астроциты, обладают клеточным механизмом, позволяющим использовать глутамат так же, как это делают нейроны.
Статья также помогает объяснить десятилетия противоречивых результатов. Поскольку только некоторые из астроцитов могут осуществлять эту передачу сигналов, обе стороны спора в некотором смысле правы: результаты исследователя зависят от того, какие астроциты они взяли.
«Это исследование замечательно тем, что оно дает объяснение, почему оба этих фрагмента данных были доступны и противоречивы», — сказал Кристофер Дулла, профессор нейробиологии в Университете Тафтса, который изучает передачу сигналов астроцитами и не участвовал в новой работе. «Я склонен полагать что так оно и есть».
Это открытие указывает на вероятность того, что некоторые астроциты составляют важную часть схемы мозга. «Все больше и больше мы приходим к идее, что в работе мозга участвуют все типы клеток», — сказал Вольтерра. «Он намного более интегрирован, чем считалось раньше».
Сеть коммуникаций
Всеобъемлющее название «глия» — от греческого слова «клей» — для всех клеток мозга, не являющихся нейронами, таких как астроциты, отражает первоначальное мнение учёных о том, что их основная цель — удерживать нейроны вместе. Однако с момента первого описания астроцитов в 1865 году исследователи обнаружили, что они могут делать гораздо больше . Во-первых, у них есть рецепторы глутамата, которые они используют для обнаружения и удаления избыточных нейротрансмиттеров в пространствах вокруг нейронов.
Менее ясно, могут ли они использовать глутамат для самостоятельной генерации электрического сигнала. В 1994 году исследователи стимулировали астроциты в чашке и увидели, что близлежащие нейроны реагируют, готовясь послать сигнал. А в 1997 году Вольтерра и его коллеги наблюдали обратное : астроциты крысы отвечали на вызовы нейронов осциллирующими волнами сигнальной молекулы кальция. С 2000 по 2012 год исследователи опубликовали более 100 статей, в которых представлены доказательства в пользу способности астроцитов общаться через синапсы.
Но другие задавались вопросом, как эти доказательства были собраны и интерпретированы. Например, в 2014 году исследователи обнаружили , что ключевая модель мыши была ошибочной, что подняло вопросы о предыдущих исследованиях, в которых использовались эти мыши.
Тем временем понимание об астроцитах получало развитие, и ученые начали считать их активными участниками обработки информации мозгом. Нейроны и их ветвящиеся дендриты часто изображают в виде деревьев, астроциты больше похожи на грибы, образующие плотно сплетенный коврик, который покрывает мозг и передает информацию между его составными частями. Таким образом, астроциты, по-видимому, образуют скоординированную сеть, влияющую на активность нейронов. Например, в 2016 году, проводя нейробиологические исследования в Калифорнийском университете в Сан-Франциско, Кира Посканцер обнаружила , что астроциты мыши могут побуждать близлежащие нейроны входить в состояние ритмичного сна, регулируя глутамат.
«Это меньше похоже на то, что отдельная клетка делает свое дело, а больше похоже на часть целой команды клеток, работающих вместе», — сказала Посканцер, работающая сейчас в биотехнологическом стартапе Arcadia Science.
Однако есть разница между зачисткой глютамата и собственно генерацией сигналов. Вольтерра считал, что некоторые астроциты способны на последнее. Но чтобы доказать это, ему нужны были свидетельства о том, что астроциты могут посылать сигналы и имеют соответствующие инструменты, чтобы делать это осознанно и адекватно.
Новый класс клеток мозга
Вольтерра воспользовался новым подходом к изучению мозга: секвенированием одноклеточной РНК, которое позволяет получить снимок полного набора генов, активных в отдельных клетках по всей ткани. Прочесав восемь баз данных клеток гиппокампа мыши, он выявил девять кластеров астроцитов, отличающихся своей генной активностью. Астроциты в одном — и только одном — из кластеров транскрибируют белки, по имеющимся данным участвующих в хранении, высвобождении и транспортировке нейромедиаторов с использованием везикул, как это происходит в нейронах. Эти клетки не были равномерно распределены данному по участку мозга или даже по определенным цепям.
Чтобы выяснить, есть ли у людей эти клетки, Вольтерра и его команда провели поиск в трех базах данных клеток гиппокампа человека на предмет тех же белковых сигнатур, которые они видели в астроцитах мыши. Сигнатуры присутствовали во всех трёх наборах данных.
Однако эти генетические данные всё ещё были косвенным доказательством. Вольтерре нужно было показать сигналы в действии. Он и его команда смоделировали нейронный сигнал, подаваемый астроцитам на срезах мозга мыши, и получили изображения молекул, высвобождаемых астроцитами. Некоторые, но не все, астроциты отреагировали глутаматом. А когда исследователи мешали астроцитам использовать везикулы, клетки больше не могли выделять глутамат.
Для Вольтерры доказательства были очевидны. «Мы были правы. Существуют астроциты, которые выделяют глутамат», — сказал он. «Но мы также ошибались, потому что думали, что все астроциты выделяют глутамат».
Полученные результаты почти наверняка переворачивают нынешнее понимание того, как мозг передаёт данные, говорит Дмитрий Русаков, профессор нейробиологии Университетского колледжа Лондона, который не участвовал в работе. А вот каким образом — вопрос открытый.
Знание того, что астроциты могут генерировать сигналы, — это только первый шаг. Этот факт не дает ответа на вопрос, как синапсы реагируют на астроцитарный глутамат. Он не говорит о том, какие функции требуют передачи сигналов астроцитами вместо нейронов или в дополнение к ним. Он не объясняет, почему в некоторых областях мозга больше глутаматергических астроцитов, чем в других, или почему какая-то их часть использует эту функцию, а остальные — нет.
Вместо этого, как и все новые открытия, оно ставит перед наукой новые вопросы, на которые она должна ответить.
«У нас есть значительный объём доказательств», — сказал Русаков. «Теперь нужна теория, чтобы собрать всё это воедино».
Автор — Лаура Даттаро (Laura Dattaro).
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК».
Вам также может быть интересно:
