Ученые обнаружили новую функцию, которую выполняет почти половина клеток мозга

Удивительные результаты исследований на мышах могут привести к новым открытиям и методам лечения широкого спектра мозговых и неврологических заболеваний, от эпилепсии до болезни Альцгеймера.

Исследователи из Медицинской школы Университета Тафтса обнаружили ранее неизвестную функцию, которую выполняют астроциты — тип клеток, который составляет почти половину всех клеток головного мозга.

По словам исследователей, обнаружение у мышей новой функции клеток, известных как астроциты, открывает совершенно новый путь для изучения нейробиологии, который может привести к лечению различных состояний, от эпилепсии до болезни Альцгеймера и черепно-мозговой травмы.

Все сводится к тому, как астроциты взаимодействуют с нейронами, которые являются основными клетками мозга и нервной системы, получающими информацию из внешнего мира.

Через сложный набор электрических и химических сигналов нейроны передают информацию между различными областями мозга, а также между мозгом и остальной частью нервной системы.

Астроциты, также известные как астроглии, представляют собой звездчатые глиальные клетки, обнаруженные в головном и спинном мозге. Они выполняют множество функций, включая биохимический контроль эндотелиальных клеток, формирующих гематоэнцефалический барьер, обеспечение питательных веществ нервной ткани, поддержание баланса внеклеточных ионов, регуляцию мозгового кровотока, а также роль в процессах репарации и рубцевания головного и спинного мозга после инфекций и травм.

До сих пор ученые считали, что астроциты важны, но в меньшей степени участвуют в этой деятельности.

Астроциты направляют рост аксонов, длинных тонких отростков нейронов, проводящих электрические импульсы. Они также контролируют нейротрансмиттеры, химические вещества, которые обеспечивают передачу электрических сигналов по всему мозгу и нервной системе. Кроме того, астроциты создают гематоэнцефалический барьер и реагируют на повреждения.

Но они не казались электрически активными, как важнейшие нейроны — до сих пор.

«Электрическая активность астроцитов меняет функционирование нейронов», — говорит Крис Дулла, доцент нейробиологии  и один из авторов исследования. «Мы открыли новый способ общения двух наиболее важных клеток мозга друг с другом. Поскольку о том, как работает мозг, так много неизвестно, открытие новых фундаментальных процессов, контролирующих работу мозга, является ключом к разработке новых методов лечения неврологических заболеваний».

Чтобы сделать открытие, ученые использовали совершенно новую технологию для разработки метода, который позволяет им видеть и изучать электрические свойства взаимодействий клеток головного мозга, которые ранее невозможно было наблюдать.

«Новая технология отображает электрическую активность с помощью света», — объясняет Крис Дулла. «Нейроны очень электрически активны, и новая технология позволяет нам увидеть, что астроциты также электрически активны».

Крис Дулла описывает астроциты как «следящие за тем, чтобы в мозгу все было нормально, и если что-то пойдет не так, если есть травма или вирусная инфекция, они обнаруживают это, пытаются отреагировать, а затем пытаются защитить мозг от повреждения. Что мы хотим сделать дальше, так это определить, как меняются астроциты, когда происходят эти повреждения».

Связь между нейронами происходит посредством высвобождения пакетов химических веществ, называемых нейротрансмиттерами. Ученые знали, что астроциты контролируют нейротрансмиттеры, помогая нейронам оставаться здоровыми и активными.

Но новое исследование показывает, что нейроны также выделяют ионы калия, которые изменяют электрическую активность астроцитов и то, как они контролируют нейротрансмиттеры.

«Таким образом, нейрон контролирует то, что делает астроцит, и они общаются. Нейроны и астроциты разговаривают друг с другом таким образом, о котором раньше ничего не было известно», — говорят ученые.

Влияние на будущие исследования

Открытие перекрестных связей астроцитов и нейронов поднимает множество вопросов о том, как эти взаимодействия работают при патологии головного мозга и в развитии обучения и памяти.

«Это заставляет нас переосмыслить все, что делают астроциты, и тот факт, что астроциты электрически активны, может влиять на широкий спектр неврологических заболеваний», — говорят исследователи.

Например, при болезни Альцгеймера астроциты не контролируют нейротрансмиттеры, хотя это их основная задача. Аналогичные проблемы возникают при черепно-мозговой травме и эпилепсии. В течение многих лет ученые думали, что, возможно, проблема вызвана отсутствием белка или мутацией, из-за которой белок не работает.

«Было высказано предположение, что накопление внеклеточного калия в головном мозге способствует развитию эпилепсии и патологий мигрени», — говорят ученые.

«Новое исследование дает нам лучшее понимание того, как астроциты очищают это накопление и помогают поддерживать баланс возбуждения».

В настоящее время исследователи изучают существующие лекарства, чтобы увидеть, могут ли они управлять взаимодействием нейронов и астроцитов. «Поступая таким образом, сможем ли мы когда-нибудь помочь людям учиться быстрее или лучше? Можем ли мы восстановить черепно-мозговую травму, когда она произойдет?» — спрашивает Крис Дулла.

Новая технология, использованная для этого открытия, не только открывает новые способы осмысления активности астроцитов, но и предоставляет новые подходы к визуализации активности через мозг.

До сих пор, например, не было возможности визуализировать активность калия в мозге или изучить, как калий участвует в процессах сна, метаболизма, травмах и инфекциях головного мозга.

«Мы передаем эти инструменты другим лабораториям, чтобы они могли использовать те же анализы и методы для изучения интересующих их вопросов», — говорит он. «Ученые получают инструменты для изучения головной боли, дыхания, нарушений развития и широкого спектра различных неврологических заболеваний».

Исследование было опубликовано в Nature Neuroscience.