Астроциты, ранее воспринимавшиеся как вспомогательные клетки нейронов, теперь признаны частью скрытой, второй системы коммуникации в мозге. Согласно результатам недавнего исследования, эти клетки формируют собственные, разветвленные сети, объединяющие различные области головного мозга. Это открытие трансформирует понимание механизмов координации работы мозга, его способности к адаптации в меняющихся обстоятельствах и восстановлению после травм.
Традиционно основными элементами, обеспечивающими связь в мозге, считались нейроны и аксоны – протяженные отростки, посредством которых передаются электрические импульсы. Астроциты же долгое время рассматривались как вспомогательные клетки нервной системы: они регулируют химический состав среды, доставляют нейронам необходимые вещества, помогают удалять продукты жизнедеятельности и участвуют в защите тканей. Но в последнее время стало очевидно, что их функции гораздо более разнообразны.
Астроциты взаимодействуют друг с другом посредством щелевых контактов – микроскопических каналов между клетками, позволяющих проникать небольшим молекулам и сигналам. Эти соединения критически важны для функционирования памяти, синаптической пластичности и правильного развития мозга. Однако, остается неясным, формируют ли астроциты единую сеть, охватывающую весь мозг, или же существуют отдельные, специализированные пути между определенными областями.
Для полного выяснения вопроса исследователи из Нью-Йоркского университета (США) предложили инновационный способ визуализации астроцитарных сетей. Они разработали вирусный инструмент, который стимулировал астроциты к выработке модифицированного белка connexin 43 – ключевого компонента щелевых контактов.
Ему присоединили фермент TurboID, который отмечает биотином молекулы, перемещающиеся через межклеточные каналы. Благодаря этому методу стало возможным определить, какие клетки объединены в единую сеть: зараженные астроциты идентифицировали с помощью специальной метки на белке, а находящиеся рядом клетки, связанные с ними, — по наличию биотинилированных молекул.
С помощью флуоресцентной микроскопии плоскостного освещения (light-sheet microscopy) ученые смогли наблюдать трехмерное изображение, вводя вирус в различные области мозга мышей, такие как моторная кора, префронтальная кора и гипоталамус).
Полученные данные удивили исследователей: астроциты не сформировали неорганизованную или монолитную структуру. Напротив, были выявлены отдельные пути, которые избирательно соединяли различные области мозга, избегая при этом прилежащие зоны. Отдельные сети были ограничены одним регионом, в то время как другие охватывали значительные расстояния, обеспечивая связь между несколькими участками и даже обеими полушариями головного мозга.
Зачастую эти схемы существенно отличались от уже известных нейронных связей. К примеру, области, где отсутствовала непосредственная нейронная передача, могли быть соединены посредством астроцитов. Это свидетельствует о наличии альтернативной системы коммуникации, основанной на передаче молекул и метаболической поддержке.
Авторы исследования, опубликованного в журнале Nature, ученые предположили, что подобная сеть способствует перераспределению ресурсов между областями мозга с разной степенью активности. Например, астроциты способны транспортировать антиоксиданты или энергетические молекулы в зоны, где нейроны испытывают повышенную нагрузку. В период заболевания эта система также помогает удалять токсичные вещества или продукты распада, что способствует снижению локального стресса в тканях.
Оказалось, что сами нейронные сети не являются неизменными. К данному заключению исследователи пришли, используя общепринятую модель нейропластичности: у молодых мышей регулярно подстригали усы на одной стороне морды, что приводило к снижению сенсорной нагрузки на соответствующий участок коры головного мозга. В результате такого сенсорного депривации наблюдалось существенное изменение астроцитарной сети: уменьшилось количество связанных клеток, а отдаленные связи, в частности с префронтальной корой, практически отсутствовали.
Похоже, астроциты изменяют свои связи в зависимости от полученного опыта, подобно тому, как это делают нейроны. Таким образом, пластичность мозга, по всей видимости, определяется не только нейронными синапсами, но и структурой взаимоотношений между глиальными клетками – вспомогательными элементами нервной ткани, поддерживающими работу нейронов).
В результате проведенных исследований ученые еще раз продемонстрировали, что структура мозга значительно более усложнена, чем предполагалось ранее. Помимо нейронных связей, в нем присутствует астроцитарная сеть, которая обеспечивает связь между удаленными участками, поддерживает метаболизм и адаптируется к новому опыту. Благодаря этой сети, вероятно, появится возможность глубже изучить механизмы памяти, процессы старения мозга и развитие нейродегенеративных расстройств.