Если мы хотим понять, как формируются интеллект, память и сознание, мы должны знать, как складываются судьбы их «носителей» — нейронов и по каким законам эти клетки работают

Если мы хотим понять, как формируются интеллект, память и сознание, мы должны знать, как складываются судьбы их «носителей» — нейронов и по каким законам эти клетки работают.

В идеале, хорошо бы отследить эмбриональное происхождение и связи каждого нейрона в нервной системе.

В ходе эмбрионального развития новообразованные нейроны в головном мозге расселяются по разным его участкам. Чтобы узнать, как развитие мозга у зародыша влияет на работу этого органа в будущем, надо понять, есть ли в этом расселении какая-то закономерность. Говорить про все нейроны сразу очень сложно, а вот про ГАМК-интернейроны недавно выяснилось, что их конечное расположение в коре больших полушарий не зависит от местонахождения их ближайших родственников. Это значит, что для расселения нейронов по головному мозгу важнее влияние окружающих клеток, чем их происхождение.

Отследить эмбриональное происхождение и связи каждого нейрона в нервной системе, но пока это возможно сделать только для одного существа — круглого червя Caenorhabditis elegans, у которого в нервной системе всего-то 302 клетки. Для более сложных существ приходится группировать нейроны мозга по различным признакам и находить какие-то закономерности развития и функционирования, характерные для группы в целом.

Одна из таких групп — ГАМК-эргические (то есть выделяющие в качестве нейромедиатора гамма-аминомасляную кислоту, ГАМК) интернейроны (промежуточное звено в цепочке передачи нервного импульса) переднего мозга. К переднему мозгу относится кора больших полушарий, гиппокамп, базальные ганглии, таламус, гипоталамус (все эти структуры парные), а также гипофиз и эпифиз.

ГАМК — тормозный медиатор, то есть его действие останавливает передачу сигнала от клетки к клетке. Это нужно, чтобы предотвратить возбуждение нейронов, которое возникло не вовремя или оказалось слишком сильным. На ГАМК-эргических интернейронах лежит, по сути, руководство всеми электрическими импульсами переднего мозга. Эти клетки «решают», какой сигнал пройдет, какой нет, какой он будет силы. За счёт разветвлённой сети отростков они в некоторой степени даже определяют, куда этот сигнал поступит. Если по каким-то причинам торможение, обусловленное ГАМК, нарушено, это может проявиться в мышечных судорогах (эпилепсия), повышенном тонусе мышц (церебральный паралич) или неконтролируемых движениях (хорея Гентингтона, синдром Туретта).

У млекопитающих ГАМК-интернейроны в процессе эмбрионального развития появляются из медиальных ганглиозных бугорков (MGE), расположенных вплотную к желудочкам мозга (рис. 1) (это парное образование, но для простоты дальше оно будет упоминаться в единственном числе). Эта структура есть только у зародышей, у взрослых животных ее не выделяют. В медиальном ганглиозном бугорке находятся предшественники ГАМК-нейронов. Они делятся, и получившиеся клетки мигрируют в будущую кору больших полушарий — и не только в нее, но и в другие области переднего мозга. Куда еще они расселяются, в каком порядке и в каких количествах, как раз и предстояло выяснить (рис. 2).

Почему эта информация важна? Если окажется, что нейроны-потомки одной клетки-предшественницы мигрируют в мозге в одну и ту же область, то, вероятно, они будут обрабатывать одни и те же сигналы. То есть по месту образования ГАМК-интернейрона в медильном ганглиозном бугорке зародыша можно будет предугадать функцию этого нейрона у взрослого организма. Если такой закономерности нет, предсказывать судьбу ГАМК-интернейронов в зрелом мозге будет значительно сложнее.

Два предыдущих исследования показали, что тормозные интернейроны распространяются в определенном порядке: клетки-клоны оказываются либо друг над другом в соседних слоях коры больших полушарий, либо в одном слое, но в пределах функциональной колонки коры — небольшой группы клеток, занимающихся общей небольшой задачей.

Однако группа ученых из США и Австрии решила перепроверить эти результаты, посчитав эксперименты своих коллег недостаточно точными. Дело в том, что авторы двух предыдущих работ, чтобы отследить перемещения новообразованных нейронов, метили их ретровирусами, несущими ген зеленого флуоресцентного белка. Такой подход предполагает, что клетки с одинаковой флуоресцентной меткой, расположенные далеко друг от друга, произошли от разных предшественников. Однако это всего лишь допущение, а не аксиома.

Чтобы точно узнать, «видятся» ли друг с другом клональные братья и сестры, ученые применили метод ДНК-штрихкодирования (DNA barcoding). Но если ДНК-штрихкоды, которые которые используются для систематики видов, изначально присутствуют в клетках организма, то ДНК-штрихкоды для отслеживания ГАМК-интернейронов исследователи привносили извне, вводя путем микроинъекций в желудочки мозга зародышей мышей модифицированный вирус саркомы и лейкемии птиц подтипа А (рис. 3).

Вирус содержал в себе «штрихкоды» — небольшие кусочки ДНК, по которым впоследствии можно было распознать конкретный нейрон. Помимо этого, каждый вирус нес в себе ген GFP, чтобы по экспрессии этого белка ученым позже удалось увидеть и выделить нужную клетку. Каждому зародышу вводили вирусы с самыми разнообразными штрихкодами. Это разнообразие было настолько велико, что практически каждый предшественник интернейронов получал уникальную метку. Таким образом, все его потомки имели одинаковые ДНК-штрихкоды.

Процедуру проводили на десятый с половиной — двенадцатый с половиной день эмбрионального развития, так как именно в это время процесс образования ГАМК-интернейронов идет особенно интенсивно. На шестнадцатый день после рождения, когда миграция интернейронов завершается, мышатами приходилось жертвовать. Из их мозга делали серии срезов, а из каждого среза путем лазерной захватывающей микродиссекции вырезали только те группы клеток, в которых присутствовал зеленый флуоресцентный белок. Наличие GFP проверяли с помощью флуоресцентной микроскопии.

Таким образом, расположение ГАМК-интернейронов проверяли в два этапа. На первом этапе флуоресценция GFP позволяла выявить, в каких участках мозга оказываются клетки, происходящие из медиального ганглиозного бугорка (рис. 4).

На втором этапе, после вырезания этих клеток, из каждой выделяли фрагменты ее ДНК, содержащие в том числе ее штрихкод (рис. 5). C помощью ПЦР (полимеразной цепной реакции) число таких фрагментов многократно увеличивали, а потом вводили их в составе плазмид в бактерии. Размножаясь, бактерии снова повышали число копий этих фрагментов ДНК, после чего биологи уже могли с ними работать и оценивать число нейронов, в которых содержался тот или иной штрихкод.

Результаты получились неожиданные. Во-первых, ГАМК-интернейроны, образующиеся в медиальном ганглиозном бугорке, в своем расселении в пределах одного полушария не ограничены, по сути, ничем. Большинство из них (41–81%) оказывались в коре больших полушарий, но в то же время немалый их процент находили и в подкорковых структурах — гиппокампе (1–13%) и стриатуме (3–9%). Некоторое количество меченых ГАМК-интернейронов «осели» в обонятельной луковице, амигдале и гипоталамусе. Во-вторых, клетки-клоны далеко не всегда оказывались друг рядом с другом.

В клеточном масштабе «рядом» — это в пределах 400 микрон, а судя по результатам исследования, близкородственные ГАМК-интернейроны были расположены в среднем на расстоянии 1400–1800 микрон (1,4–1,8 мм) друг от друга. Более того, клоны часто попадали в совершенно разные структуры мозга. Например, клетки одного клона можно было обнаружить в коре, гиппокампе и стриатуме.

Так по какому же правилу тогда распространяются новообразованные ГАМК-интернейроны? Пока сложно сказать. Возможно, главный фактор, влияющий на путь их расселения, — их окружение. Тормозный интернейрон, попадая, скажем, в гиппокамп, получает сигналы от соседних клеток и включается в совершенно иную цепочку передачи нервных импульсов, нежели его «брат», оказавшийся в коре того же полушария. Это показывает, что не только работа зрелого мозга, но и его формирование весьма пластично и во многом зависит не от генотипа, а от условий окружения.

Источник: «Элементы»

Комментарии: