Нервные клетки новые открытия

Всего поколение назад сложилось мнение, что как только человек достигает зрелого возраста, мозг перестает производить новые нервные клетки — то есть, они не восстанавливаются при потере. Двадцать лет назад ученые оспорили эту мрачную перспективу и показали, что взрослый мозг каким-то образом все же может пополнять свои запасы. Последствия таких выводов были бы огромными: возможно, мы победили бы депрессию и болезнь Альцгеймера.

Но в этом году, однако, появилось несколько противоречивых работ и снова разгорелись жаркие споры. Сегодня мы до сих пор не знаем, производит ли полностью выросший мозг новые нервные клетки.

Нервные клетки восстанавливаются?

Этот год был открыт спорным докладом, который появился 7 марта в Nature. Вопреки нескольким знаковым открытиям, которые убедили научное сообщество в том, что у взрослых могут появляться новые нервные клетки, ученые описали полное отсутствие деления нервных клеток, или нейронов, во взрослой ткани мозга после смерти.

Буквально через месяц раздался второй залп, когда в другом исследовании ученые описали появление множества новорожденных нейронов в умершем мозге. Эта работа появилась 5 апреля в Cell Stem Cell.

Война началась, когда третья группа ученых не нашла новых нейронов в мозге после смерти, изложив результаты своей работы в июльском Cerebral Cortex. Многие нейробиологи подключились к дебатам со своими комментариями.

Эта война за омолаживающие способности мозга — последняя итерация вопроса, который до сих пор остается без ответа. Первые обнадеживающие новости о клетках мозга появились в 1998 году, когда ученые изучили мозги людей, которых лечили соединением, маркирующим ДНК в новорожденных нейронах. Соединение оказалось в клетках взрослого гиппокампа, структуре мозга, важной для обучения и памяти. Эти результаты, наряду с исследованием 2013 года, в котором использовался другой метод лечения, показали, что мозг может накапливать нейроны на протяжении всей жизни.

Часть проблемы заключается в том, что нет хороших способов зафиксировать рождение нейрона — нейрогенез. Чтобы получить представление об этом процессе у людей, исследования опирались на посмертные ткани мозга, которые привередливые, деликатные и своеобразные. Небольшие различия в методологии или спорные идентичности клеток могут объяснять противоположные выводы.

Новые методы количественного определения активных генов в отдельных клетках могут в конечном итоге обеспечить более точный способ идентификации новорожденных нейронов. Другие экспериментальные методы, такие как выращенные в лаборатории органоиды мозга или сложные сканирования мозга, также могут помочь. Если бы исследователи могли определить прокси нейрогенеза, в виде сигнала в крови или спинномозговой жидкости, этот процесс можно было бы исследовать и у живых людей.

Если люди, как и мыши, могут создавать новые нейроны, будучи взрослыми, это могло бы в конечном итоге защитить нас — или даже обратить вспять — от болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных заболеваний.

Доктор медицинских наук В. ГРИНЕВИЧ.

Природа закладывает в развивающийся мозг очень высокий запас прочности: при эмбриогенезе образуется большой избыток нейронов. Почти 70% из них гибнут еще до рождения ребенка. Человеческий мозг продолжает терять нейроны и после рождения, на протяжении всей жизни. Такая гибель клеток генетически запрограммирована. Конечно же погибают не только нейроны, но и другие клетки организма. Только все остальные ткани обладают высокой регенерационной способностью, то есть их клетки делятся, замещая погибшие. Наиболее активно процесс регенерации идет в клетках эпителия и кроветворных органах (красный костный мозг). Но есть клетки, в которых гены, отвечающие за размножение делением, заблокированы. Помимо нейронов к таким клеткам относятся клетки сердечной мышцы. Как же люди умудряются сохранить интеллект до весьма преклонных лет, если нервные клетки погибают и не обновляются?

Одно из возможных объяснений: в нервной системе одновременно "работают" не все, а только 10% нейронов. Этот факт часто приводится в популярной и даже научной литературе. Мне неоднократно приходилось обсуждать данное утверждение со своими отечественными и зарубежными коллегами. И никто из них не понимает, откуда взялась такая цифра. Любая клетка одновременно и живет и "работает". В каждом нейроне все время происходят обменные процессы, синтезируются белки, генерируются и передаются нервные импульсы. Поэтому, оставив гипотезу об "отдыхающих" нейронах, обратимся к одному из свойств нервной системы, а именно - к ее исключительной пластичности.

Смысл пластичности в том, что функции погибших нервных клеток берут на себя их оставшиеся в живых "коллеги", которые увеличиваются в размерах и формируют новые связи, компенсируя утраченные функции. Высокую, но не беспредельную эффективность подобной компенсации можно проиллюстрировать на примере болезни Паркинсона, при которой происходит постепенное отмирание нейронов. Оказывается, пока в головном мозге не погибнет около 90% нейронов, клинические симптомы заболевания (дрожание конечностей, ограничение подвижности, неустойчивая походка, слабоумие) не проявляются, то есть человек выглядит практически здоровым. Значит, одна живая нервная клетка может заменить девять погибших.

Но пластичность нервной системы - не единственный механизм, позволяющий сохранить интеллект до глубокой старости. У природы имеется и запасной вариант - возникновение новых нервных клеток в головном мозге взрослых млекопитающих, или нейрогенез.

Первое сообщение о нейрогенезе появилось в 1962 году в престижном научном журнале "Science". Статья называлась "Формируются ли новые нейроны в мозге взрослых млекопитающих?". Ее автор, профессор Жозеф Олтман из Университета Пердью (США) с помощью электрического тока разрушил одну из структур мозга крысы (латеральное коленчатое тело) и ввел туда радиоактивное вещество, проникающее во вновь возникающие клетки. Через несколько месяцев ученый обнаружил новые радиоактивные нейроны в таламусе (участок переднего мозга) и коре головного мозга. В течение последующих семи лет Олтман опубликовал еще несколько работ, доказывающих существование нейрогенеза в мозге взрослых млекопитающих. Однако тогда, в 1960-е годы, его работы вызывали у нейробиологов лишь скепсис, их развития не последовало.

И только спустя двадцать лет нейрогенез был вновь "открыт", но уже в головном мозге птиц. Многие исследователи певчих птиц обращали внимание на то, что в течение каждого брачного сезона самец канарейки Serinus canaria исполняет песню с новыми "коленами". Причем новые трели он не перенимает у собратьев, поскольку песни обновлялись и в условиях изоляции. Ученые стали детально изучать главный вокальный центр птиц, расположенный в специальном отделе головного мозга, и обнаружили, что в конце брачного сезона (у канареек он приходится на август и январь) значительная часть нейронов вокального центра погибала, - вероятно, из-за избыточной функциональной нагрузки. В середине 1980-х годов профессору Фернандо Ноттебуму из Рокфеллеровского университета (США) удалось показать, что у взрослых самцов канареек процесс нейрогенеза происходит в вокальном центре постоянно, но количество образующихся нейронов подвержено сезонным колебаниям. Пик нейрогенеза у канареек приходится на октябрь и март, то есть через два месяца после брачных сезонов. Вот почему "фонотека" песен самца канарейки регулярно обновляется.

В конце 1980-х годов нейрогенез был также обнаружен у взрослых амфибий в лаборатории ленинградского ученого профессора А. Л. Поленова.

Откуда берутся новые нейроны, если нервные клетки не делятся? Источником новых нейронов и у птиц, и у амфибий оказались нейрональные стволовые клетки стенки желудочков мозга. Во время развития зародыша именно из этих клеток образуются клетки нервной системы: нейроны и клетки глии. Но не все стволовые клетки превращаются в клетки нервной системы - часть из них "затаивается" и ждет своего часа.

Как было показано, новые нейроны появляются из стволовых клеток взрослого организма и у низших позвоночных. Однако потребовалось почти пятнадцать лет, чтобы доказать, что аналогичный процесс происходит и в нервной системе млекопитающих.

Развитие нейробиологии в начале 1990-х годов привело к обнаружению "новорожденных" нейронов в головном мозге взрослых крыс и мышей. Их находили большей частью в эволюционно древних отделах головного мозга: обонятельных луковицах и коре гиппокампа, которые отвечают главным образом за эмоциональное поведение, реакцию на стресс и регуляцию половых функций млекопитающих.

Так же, как у птиц и низших позвоночных, у млекопитающих нейрональные стволовые клетки располагаются поблизости от боковых желудочков мозга. Их перерождение в нейроны идет очень интенсивно. У взрослых крыс за месяц из стволовых клеток образуется около 250 000 нейронов, замещая 3% всех нейронов гиппокампа. Продолжительность жизни таких нейронов очень высока - до 112 дней. Стволовые нейрональные клетки преодолевают длинный путь (около 2 см). Они также способны мигрировать в обонятельную луковицу, превращаясь там в нейроны.

Обонятельные луковицы головного мозга млекопитающих отвечают за восприятие и первичную обработку различных запахов, включая и распознавание феромонов - веществ, которые по своему химическому составу близки к половым гормонам. Сексуальное поведение у грызунов регулируется в первую очередь выработкой феромонов. Гиппокамп же расположен под полушариями мозга. Функции этой сложноорганизованной структуры связаны с формированием краткосрочной памяти, реализацией некоторых эмоций и участием в формировании полового поведения. Наличие у крыс постоянного нейрогенеза в обонятельной луковице и гиппокампе объясняется тем, что у грызунов эти структуры несут основную функциональную нагрузку. Поэтому нервные клетки в них часто гибнут, а значит, их необходимо обновлять.

Для того чтобы понять, какие условия влияют на нейрогенез в гиппокампе и обонятельной луковице, профессор Гейдж из Университета Салка (США) построил миниатюрный город. Мыши там играли, занимались физкультурой, отыскивали выходы из лабиринтов. Оказалось, что у "городских" мышей новые нейроны возникали в гораздо большем количестве, чем у их пассивных сородичей, погрязших в рутинной жизни в виварии.

Cтволовые клетки можно извлечь из мозга и пересадить в другой участок нервной системы, где они превратятся в нейроны. Профессор Гейдж с коллегами провел несколько подобных экспериментов, наиболее впечатляющим среди которых был следующий. Участок мозговой ткани, содержащий стволовые клетки, пересадили в разрушенную сетчатку глаза крысы. (Светочувствительная внутренняя стенка глаза имеет "нервное" происхождение: состоит из видоизмененных нейронов - палочек и колбочек. Когда светочувствительный слой разрушается, наступает слепота.) Пересаженные стволовые клетки мозга превратились в нейроны сетчатки, их отростки достигли зрительного нерва, и крыса прозрела! Причем при пересадке стволовых клеток мозга в неповрежденный глаз никаких превращений с ними не происходило . Вероятно, при повреждении сетчатки глаза вырабатываются какие-то вещества (например, так называемые факторы роста), которые стимулируют нейрогенез. Однако точный механизм этого явления до сих пор не ясен.

Перед учеными встала задача показать, что нейрогенез идет не только у грызунов, но и у человека. Для этого исследователи под руководством профессора Гейджа недавно выполнили сенсационную работу. В одной из американских онкологических клиник группа больных, имеющих неизлечимые злокачественные новообразования, принимала химиотерапевтический препарат бромдиоксиуридин. У этого вещества есть важное свойство - способность накапливаться в делящихся клетках различных органов и тканей. Бромдиоксиуридин включается в ДНК материнской клетки и сохраняется в дочерних клетках после деления материнской. Патологоанатомическое исследование показало, что нейроны, содержащие бромдиоксиуридин, обнаруживаются практически во всех отделах мозга, включая кору больших полушарий. Значит, эти нейроны были новыми клетками, возникшими при делении стволовых клеток. Находка безоговорочно подтвердила, что процесс нейрогенеза происходит и у взрослых людей. Но если у грызунов нейрогенез идет только в гиппокампе, то у человека, вероятно, он может захватывать более обширные зоны головного мозга, включая кору больших полушарий. Недавно проведенные исследования показали, что новые нейроны во взрослом мозге могут образовываться не только из нейрональных стволовых, но из стволовых клеток крови. Открытие этого феномена вызвало в научном мире эйфорию. Однако публикация в журнале "Nature" за октябрь 2003 года во многом остудила восторженные умы. Оказалось, что стволовые клетки крови действительно проникают в мозг, но они не превращаются в нейроны, а сливаются с ними, образуя двуядерные клетки. Затем "старое" ядро нейрона разрушается, а его замещает "новое" ядро стволовой клетки крови. В организме крысы стволовые клетки крови в основном сливаются с гигантскими клетками мозжечка - клетками Пуркинье, правда, происходит это довольно редко: во всем мозжечке можно обнаружить лишь несколько слившихся клеток. Более интенсивное слияние нейронов происходит в печени и сердечной мышце. Пока совершенно непонятно, какой в этом физиологический смысл. Одна из гипотез заключается в том, что стволовые клетки крови несут с собой новый генетический материал, который, попадая в "старую" клетку мозжечка, продлевает ей жизнь.

Итак, новые нейроны могут возникать из стволовых клеток даже в мозге взрослого человека. Этот феномен уже достаточно широко применяется для лечения различных нейродегенеративных заболеваний (заболеваний, сопровождающихся гибелью нейронов головного мозга). Препараты стволовых клеток для трансплантации получают двумя способами. Первый - это использование нейрональных стволовых клеток, которые и у эмбриона, и у взрослого человека располагаются вокруг желудочков головного мозга. Второй подход - использование эмбриональных стволовых клеток. Эти клетки располагаются во внутренней клеточной массе на ранней стадии формирования зародыша. Они способны превращаться практически в любые клетки организма. Наибольшая сложность в работе с эмбриональными клетками - заставить их трансформироваться в нейроны. Новые технологии позволяют сделать это.

В некоторых лечебных учреждениях в США уже сформированы "библиотеки" нейрональных стволовых клеток, полученных из зародышевой ткани, и проводятся их пересадки пациентам. Первые попытки трансплантации дают положительные результаты, хотя на сегодняшний день врачи не могут разрешить основную проблему подобных пересадок: безудержное размножение стволовых клеток в 30-40% случаев приводит к образованию злокачественных опухолей. Пока не найдено подхода к предотвращению подобного побочного эффекта. Но, несмотря на это, трансплантация стволовых клеток, несомненно, будет одним из главных подходов в терапии таких нейродегенеративных заболеваний, как болезни Альцгеймера и Паркинсона, ставших бичом развитых стран.

"Наука и жизнь" о стволовых клетках:

Белоконева О., канд. хим. наук. Запрет для нервных клеток. - 2001, № 8.

Белоконева О., канд. хим. наук. Праматерь всех клеток. - 2001, № 10.

Смирнов В., акад. РАМН, член-корр. РАН. Восстановительная терапия будущего. - 2001, № 8.

Научитесь запускать этот процесс — защититесь от депрессии, посттравматического расстройства и даже болезни Альцгеймера.

Нервные клетки восстанавливаются. Данный тезис, на первый взгляд, уже не кажется новостью. Но на самом деле научный мир по-прежнему спорит на этот счёт.

В 2018 году в статье, опубликованной в журнале Nature, эксперты засомневались: а существует ли вообще нейрогенез во взрослом возрасте? Исследователи однозначно обнаружили рост количества новых нейронов у детей. Однако не выявили тех же процессов у людей старше 18 лет.

В 2019-м новое исследование вернуло равновесие: нейрогенез у взрослых всё-таки обнаружен! Об этом говорится в статье, которая вышла в издании Scientific American.

Лайфхакер уточнил подробности.

Почему новые нейроны у взрослых не обнаруживались ранее

Возможно, всё дело в технической ошибке. Исследователи из Автономного университета Мадрида протестировали различные методы сохранения мозговой ткани у 58 умерших людей. Выяснилось, что разные методы приводят к разным выводам. Достаточно чуть изменить способ хранения мозга — и клетки-маркеры, отмечающие наличие новых нейронов, разрушаются.

Через 12 часов маркеры новых нейронов исчезают. Новые нервные клетки есть, но мы не можем их обнаружить.

Мария Ллоренс-Мартин, невролог Автономного университета Мадрида

Испанцы выдвинули такую версию: ранее исследователи не находили новые нейроны в мозге взрослых лишь потому, что мозг хранился неправильно.

Как выявили связь новых нейронов и болезни Альцгеймера

Ллоренс-Мартин начала собирать и сохранять образцы мозга в 2010 году, когда впервые поняла, что проблема с поиском нейрогенеза у взрослых может заключаться в неправильном хранении. Далее вместе с командой других учёных она исследовала мозг двух категорий людей. Первые — те, кто умер с неповреждёнными воспоминаниями. Вторые — те, кто скончался на разных стадиях болезни Альцгеймера.

Исследователи обнаружили, что в гиппокампе (области мозга, отвечающей за память) людей с болезнью Альцгеймера новых нейронов значительно меньше, чем у здоровых.

Для сравнения: в гиппокампе 78-летнего человека, умершего в здравом уме и твёрдой памяти, нашлось около 23 000 новых нейронов на кубический миллиметр мозговой ткани. У того же, кто ушёл из жизни в разгар болезни Альцгеймера, — около 10 000 на кубический миллиметр.

По мнению испанцев, уменьшение количества новых нейронов — если бы его удалось обнаружить в живом мозге — могло бы стать ранним симптомом развития болезни Альцгеймера. А ещё, возможно, этот недуг и вовсе удалось бы предотвратить, если вовремя заставить гиппокамп выращивать новые клетки.

Впрочем, речь может идти не только о болезни Альцгеймера.

Чем новые нейроны могут быть полезны лично вам

Нейрогенез был открыт в 1998 году нейробиологом Расти Гейджем — ныне президентом Института биологических исследований Солка. Сегодня Гейдж — один из тех, кто аплодирует новому исследованию.

По мнению профессора, способность гиппокампа выращивать новые нервные клетки имеет огромное значение. В частности, именно она защищает от развития посттравматического стрессового расстройства (ПТСР). Исследования на животных показали: нейрогенез помогает им различать два схожих события. Мозг же людей с ПТСР не умеет этого делать. Поэтому на ситуации из настоящего он реагирует так же бурно, как на травмирующие события из прошлого. Скорее всего, причина в том, что в гиппокампе пациентов с ПТСР перестают вырабатываться новые нейроны.

Те же опыты на животных установили и другие взаимосвязи. Есть нейрогенез — значит, животное более устойчиво к стрессовым ситуациям. Нет нейрогенеза — мозг более подвержен расстройствам настроения вплоть до депрессии. Да ещё и с познавательными функциями у него становится не очень.

Как заставить мозг создавать новые нейроны

Опыты на человеке пока не проводились. Зато улучшить нейрогенез у мышей и крыс учёным уже удалось. Причём простыми методами: зверьков просто заставляли больше двигаться, поощряли общаться друг с другом и исследовать что-то новое.

Все мы слышали - и не раз - о том, что нервные клетки не восстанавливаются. Так вот, теперь вам придется забыть об этом. Как оказалось, клетки восстанавливаются. И еще как!

Это обнаружили специалисты из Колумбийского университета в Нью-Йорке (США) во время своего исследования, когда изучили фрагменты части лимбической системы головного мозга у 28 умерших людей разного возраста.

Все они скончались по причинам, никак не связанным с заболеваниями нервной системы. И что было немаловажно для исследования, момент смерти у этих людей наступил не моментально, а через несколько часов или даже суток после травмы или стремительного развития смертельного заболевания.

Так вот, как оказалось, даже этого времени (нескольких часов) оказалось достаточно, чтобы в области мозга под названием гиппокамп, где происходит нейрогенез, сформировались новые клетки.

А сам процесс продолжался до самой смерти человека.

Это дает все снования говорить о том, что клетки имеют реверсивное движение, то есть, способны восстанавливаться. В том числе и у пожилых.

Правда, исследование зафиксировало, что клетки, появившиеся в преклонном возрасте, работают несколько хуже, чем если бы они были юными, тем не менее, они появляются, а это главное.

Скорость, с которой восстанавливаются нервные клетки, может достигать 700 новых нейронов в день.

Ну а главным разрушителем нервных клеток ученые назвали стресс, который помимо всего прочего еще и подавляет способность мозга к регенерации.

Полные результаты исследования опубликованы в научном журнале Cell Stem Cell.

Кстати, идея том, что нервные клетки могут восстанавливаться, обсуждалась еще четыре года назад на прошедшем в Санкт- Петербурге Всемирном конгрессе психиатров. Тогда нейробиолог профессор Геттингенского университета Гарольд Хютер заявил, что нервная ткань восстанавливается в любом возрасте. Вопрос только в скорости процесса: у молодых восстановление идет интенсивнее, чем если бы это было в 70 лет.

Ученый привел в пример наблюдения канадских коллег за монахинями весьма преклонного возраста - всем им было больше 100 лет. Магнитно-резонансная томография подтвердила, что в мозге женщин не было никаких проявлений старческого слабоумия. Профессор посчитал, что причина этого - в образе жизни и мышления, которые в буквальном смысле восстанавливают свои мозговые структуры и их проводимость.

КСТАТИ

Не так давно ученые начали трансплантировать в головной мозг здоровые нейроны. Правда, пока только мышам. Первая пересадка прошла с участием специалистов государственного исследовательского Ратгерского университета (США). Биологи и медики в лабораторных условиях превращали человеческие стволовые клетки в нейроны, после чего вводили их в головной мозг грызунов, где они соединялись с уже существующими клетками, формируя новые биологические нейронные сети.

Теперь ученые планируют продолжить свою работу, но уже с участием людей. Исследователи уверены, что такая манипуляция заменит поврежденные нервные клетки и, соответственно, улучшит состояние человека с нейродегенеративным заболеванием. Что поможет при лечении многих заболеваний, в первую очередь, при болезни Альцгеймера.

Что ускоряет гибель нервных клеток и ведет к потере памяти, выяснили ученые из России

Воспалительные процессы в определенных участках мозга вызывают стресс и нервное напряжение. Именно их влияние ускоряет гибель нервных клеток и ведет к потере памяти. Такое открытие сделали специалисты Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН в Москве . Исследуя механизмы нейродегенерации в гиппокампе, они провели опыты на лабораторных мышах, проследив, что происходит в их мозге при условии, если удастся создать им условия непредсказуемого и постоянного стресса (читать дальше)

Группа учёных из МФТИ, университета Стони Брук и лаборатории Колд Спринг Харбор пронаблюдали, как делятся и расходуются нейральные стволовые клетки в гиппокампе у мышей — области мозга, критически важной для обучения и памяти. Оптимистичные прогнозы о наличии симметричного деления — когда из одной стволовой клетки получается две — не подтвердились. Если такое деление и происходит, то не более чем в десяти процентах случаев. Это значит, что восполнение стволовых клеток, которые могли бы дать начало новым нейронам — редкий или вовсе не происходящий процесс. Кроме этого учёные определили пространственные особенности исчезновения стволовых клеток в стареющем мозге. Статья опубликована в Scientific Reports .

Хотя сейчас не утихают споры о возможности появления новых нейронов во взрослом мозге у человека, их генерация в мозге других взрослых млекопитающих признана неопровержимым фактом. Процесс образования новых нейронов из стволовых клеток называют нейрогенезом. После того как рост и развитие молодого мозга завершены, у большинства взрослых млекопитающих в мозге остаются лишь две области, сохраняющие стволовые клетки, ответственные за нейрогенез: тонкий слой в стенке боковых желудочков мозга (или субвентрикулярная зона) и тонкий слой в зубчатой извилине гиппокампа (или субгранулярная зона). Вторая зона вызывает особый интерес исследователей, так как находится в гиппокампе, работа которого критически важна для реализации важнейших когнитивных функций, например, обучение, память и эмоциональное поведение. При этом современные данные показывают, что и сам нейрогенез в гиппокампе может быть важен для осуществления этих функций. Но также известно, что с возрастом количество нейральных стволовых клеток в гиппокампе падает. Поэтому перед исследователями встаёт целый ряд вопросов: как сохраняется пул этих стволовых клеток в ходе онтогенеза, каковы механизмы его поддержания и обновления, и, главное, можно ли повлиять на эти процессы и тем самым продлить интенсивный нейрогенез до глубокой старости, а значит и продлить молодость мозга.

Ключом для ответа на эти вопросы может стать выяснение того, как делятся стволовые клетки во взрослом мозге. Теоретически деление нервной стволовой клетки может происходить двумя способами (Рис. 1). Первый вариант — когда из одной стволовой клетки получается две такие же стволовые. Такого рода деления, когда из материнской клетки образуются две подобные ей дочки, называются симметричными. Второй вариант — когда из одной стволовой клетки получаются две дочки, одна из которых — такая же как материнская, а вторая становится предшественником нейрона. Такие деления принято называть асимметричными. Стволовые клетки могут делиться преимущественно одним способом, либо использовать оба типа делений для генерации нейронов. Как видно, способ деления стволовых клеток определяет общее число стволовых клеток, а следовательно, расходуется ли резерв стволовых клеток, с какой скоростью, может ли он быть восстановлен или даже увеличен.

Типы деления клеток. При симметричном делении (слева) из одной стволовой клетки (зелёные) образуются две такие же стволовые, а при асимметричном (справа) — образуется одна стволовая клетка и предшественник нейрона (красная клетка) или астроцит (фиолетовая клетка).

Авторы выявляли делящиеся клетки классическим для такого рода исследований способом, а именно вводили экспериментальным животным синтетический аналог нуклеотида тимидина — бромодезоксиуридин (БрдУ), который встраивается в удваивающиеся цепи ДНК клеток во время их деления. (Мы уже рассказывали про этот метод, когда писали про другую работу этой же группы исследователей). О том, что поделились именно стволовые клетки гиппокампа судили по другому маркеру — зеленому флуоресцентному белку (GFP), синтез которого находился под контролем регулирующей последовательности гена белка нестина — маркера стволовых клеток. От других предшественников нейронов стволовые клетки отличает их особая узнаваемая форма — они имеют крупное тело и один длинный апикальный отросток, сильно ветвящийся сверху. Таким образом, если в зубчатой извилине гиппокампа происходят симметричные деления стволовых клеток, такие деления на срезах можно увидеть, как пару близкорасположенных зеленых клеток с крупным апикальным отростком и с БрдУ в ядрах. Однако меченые клетки могут оказаться рядом не только из-за симметричного деления. Они могут быть потомками не одной клетки, а двух разных соседствующих клеток, каждая из которых поделилась асимметрично (Рис.2). Возникает вопрос, как различать эти две ситуации.

На срезе мозга находятся помеченные БрдУ стволовые клетки (фрагмент посередине) среди множества неделящихся или покоящихся стволовых клеток (светло-зелёные). Такие меченые пары могут встречаться или из-за активации асимметричного типа деления двух неродственных стволовых клеток, находящихся рядом (вариант слева), или из-за симметричного деления одной стволовой клетки (справа). По рисунку, предоставленному Ольгой Минеевой, автором статьи.

Учёные придумали статистический метод, с помощью которого можно оценить, случайно ли меченые клетки оказались рядом или не случайно. А именно, вследствие их происхождения от двух разных материнских клеток, поделившейся асимметрично (Рис. 1, лев. часть) или от общей материнской клетки, поделившейся симметрично (Рис. 1, прав. часть). Суть метода заключалась в измерении реально наблюдаемой вероятности обнаружения пар меченых стволовых клеток и её сравнении с полностью случайной вероятностью, которую можно искусственно смоделировать в общей популяции стволовых клеток. В результате, если реально наблюдаемое число пар будет выше смоделированного случайного, то это значит, что возникновение не всех пар можно объяснить случайностью, и часть из них образовались в результате симметричных делений.

Для того, чтобы измерить реальное и смоделированное случайное число пар клеток, на микроскопических изображениях срезов находили местоположение всех стволовых клеток, содержащих и не содержащих маркер делений БрдУ. Таким образом, для каждой клетки было определено её положение в пространстве. Затем по полученным координатам определяли расстояния между парами реально наблюдаемых меченых клеток и число пар клеток на конкретных расстояниях (Рис. 3А). Затем искусственно моделировали случайное распределение меченых клеток для сравнения. Для этого использовали все положения, в которых могли появиться меченые клетки, координаты всех делящихся и неделящихся стволовых клеток. Из списка координат с помощью генератора случайных чисел выбирали такое же количество клеток, что наблюдалось на срезе в действительности, и условно принимали их за меченые. Получался тот же срез, но теперь уже с псевдо-мечеными клетками, разбросанными на нем случайным образом (Рис.3Б). Допустим, если мы увидели 11 меченых клеток на срезе (как на Рис.3А), то среди всех возможных позиций будет разбросано 11 псевдомеченых клеток (Рис.3Б) и рассчитано распределение расстояний между ними. Эта операция была повторена много раз для получения статистики со всех срезов. Сравнив реальное распределение с моделируемым случайным, авторы увидели, что они не отличаются друг от друга. Однако отсутствие различий между реальной и случайно сгенерированной картиной могло быть связано с низкой чувствительностью метода. Чтобы проверить это, исследователи попробовали добавлять в модель заданное количество пар сближенных делящихся клеток и оценить, сколько симметричных делений нужно, чтобы новое искусственно сгенерированное распределение начало отличаться от случайного. Получилось, что нужно добавить больше 10% событий симметричных делений. Из этого учёные сделали вывод о том, что в реальном взрослом гиппокампе симметричных делений нервных стволовых клеток не происходит, или же они происходят, но крайне редко, и их доля составляет не больше 10%.

Схема расположения стволовых реальных клеток на срезе и в модели. Серые точки — неделящиеся стволовые клетки. Чёрные точки — реально обнаруженные меченые клетки. Голубые точки — случайно разбросанные псевдомеченые клетки.

Этот же метод авторы применили, чтобы описать исчезновение стволовых клеток с возрастом. Чем старше мышь, тем меньше стволовых клеток остаётся в нейрогенной зоне гиппокампа. Например, у семимесячной мыши их в девять раз меньше, чем у двухнедельной, и в пространстве, где поначалу были стволовые клетки, в нейрогенном резерве обнаруживаются пустоты.

Авторы смоделировали старение нейрогенной зоны мышиного гиппокампа, проделав ту же самую операцию случайного перебора, что и в первом эксперименте. Однако теперь, среди всех доступных клеток у молодых мышей они случайно выбирали и оставляли то количество, которое в действительности наблюдалось в гиппокампе у семимесячной мыши. Оказалось, что оставшиеся стволовые клетки в настоящем гиппокампе семимесячных мышей распределены более равномерно, чем случайно выбранные. На основании этого исследователи делают вывод о том, что исчезновение стволовых клеток гиппокампа зависит от их положения в пространстве: клетки, расположенные поблизости друг от друга имеют больший шанс к скорому исчезновению, что приводит к пустотам в слое стволовых клеток. Более того, учёные выяснили, что в разных отделах гиппокампа стволовые клетки расходуются с разной степенью неравномерности. Интересно то, что разные зоны гиппокампа отвечают за разные когнитивные функции. Однако учёные не спешат связывать такое исчезновение стволовых клеток с функциональными особенностями — возможно, это связано с более простыми факторами, как например, распределение сосудов.

Последняя работа этих авторов новым способом подтвердила ранее выдвинутое предположение о том, что стволовые клетки не могут обновляться бесконечно. Ранее, на основе других данных, авторами настоящего исследования была выдвинута концепция, согласно которой каждая стволовая клетка, выйдя из состояния покоя, проходит ограниченное число клеточных делений, давая начало новым нейронам и астроцитам, но не новым стволовым клеткам (Encinas et al., 2011). Важное следствие этой концепции о невосполнимости пула покоящихся стволовых клеток гиппокампа — возможное негативное влияние веществ, активирующих деления стволовых клеток, на нейрогенез в гиппокампе в долгосрочной перспективе. Так, увеличивая нейрогенез через усиленное рекрутирование стволовых клеток, эти факторы могут вызывать преждевременное истощение нейрогенной ниши, и как возможное следствие этого — к когнитивным нарушениям из-за последующей нехватки новых нейронов.

A) Оставшиеся стволовые клетки у 7-месячной мыши. В) Стволовые клетки 2-недельной мыши, среди которых случайным образом выбрано (голубым) такое же количество клеток, которое осталось у 7-месячной. C, D) Реальное распределение расстояний между ближайшими клетками (красным) отличается от случайного (голубым).

Материал предоставлен пресс-службой МФТИ