До сих пор мы все еще удивительно мало понимаем о процессе, которому мы отводим треть жизни. Мы не до конца понимаем, как работает сон — например, почему некоторые люди могут глубоко в любых условиях, в то время как другие регулярно ворочаются часами каждую ночь? И почему нам всем, судя по всему, нужно разное количество сна, чтобы чувствовать себя отдохнувшими? В течение десятилетий ученые изучали поведение нейронов мозга, чтобы понять природу сна.
Однако теперь исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско подтвердили, что другой тип клеток мозга, а именно астроциты (именно в них, согласно исследованию российских ученых, кроется ключ к старению мозга ▼), может влиять на то, как долго и как глубоко спят животные. Полученные результаты могут открыть новые возможности для изучения методов лечения расстройств сна и помочь ученым лучше понять заболевания мозга, в которых тоже присутствует нарушения сна, такие как болезнь Альцгеймера и другие деменции, говорят авторы, опубликовавшие статью в журнале eLife.
«Наша работа — это первый пример, когда кто-то сделал точную и быструю манипуляцию астроцитами и показал, что это действительно может повлиять на сон, — говорит Триша Вайдьянатан, первый автор исследования и аспирантка по нейробиологии в Калифорнийском университете. — Это позиционирует астроциты как активного игрока в области сна».
Когда мы бодрствуем, наш мозг — это нестройный хор разрозненных нейрональных голосов, перекликающийся между собой, чтобы позволить нам работать над повседневными жизненными задачами. Но когда мы спим, голоса нейронов сливаются в единый хор всплесков, который нейробиологи называют медленноволновой активностью. Недавние исследования показали, что астроциты, а не только нейроны, могут помочь запустить этот переключатель.
Астроциты, составляющие от 25 до 30 процентов клеток мозга, покрывают мозг бесчисленными отростками. Это покрытие позволяет каждому отдельному астроциту «прослушивать» десятки тысяч синапсов между нейронами. Многочисленные клетки соединяются друг с другом через специализированные каналы, которые, по мнению исследователей, могут позволить астроцитам, расположенным по всему мозгу, функционировать как единая сеть. Гиперсвязанные и вездесущие астроциты могли бы управлять синхронизированной сигнализацией в нейронах, как предполагает новое исследование.
Кира Посканцер и ее команда отслеживали изменения медленноволновой активности в мозге мышей, манипулируя астроцитами с помощью препарата, который может «включать» эти клетки у генетически модифицированных животных. Исследователи обнаружили, что активация астроцитов приводит к большей медленноволновой активности — и, следовательно, к сну у мышей.
Но команда хотела изучить роль астроцитов в более тонких деталях, спрашивая, как эти клетки оказывают свое влияние и какими аспектами сна они управляют.
В дополнение к специализированным щелевым контактам, соединяющим соседние астроциты, эти клетки усеяны множеством рецепторов, которые позволяют им реагировать на сигналы, поступающие от нейронов и других типов клеток вокруг них. В ходе исследования ученые обратили внимание на две из этих молекул — Gi и Gq-рецепторы и обнаружили, что каждая из них, по-видимому, контролирует определенный аспект сна.
Активация Gq-рецепторов в астроцитах заставляла животных спать дольше, но не глубже, согласно медленноволновым измерениям, в то время как активация Gi-рецепторов погружала в гораздо более глубокий сон, не влияя на продолжительность сна.
«Глубина и продолжительность — это параметры сна, которым часто уделяется мало внимания по отдельности, их часто объединяют вместе даже в нейробиологии, — сказал Вайдьянатан. — Но выделение этих различных аспектов и то, как они регулируются, будет иметь важное значение в будущем для создания более конкретных методов лечения расстройств сна».
Команда также обнаружила, что активность астроцитов имеет длинный охват по всему мозгу: активация астроцитов в одной части коры может повлиять на поведение нейронов в отдаленной точке. По словам Посканцер, исследователи стремятся глубже изучить степень этого влияния и продолжить изучение того, как различные астроцитарные рецепторы работают вместе, чтобы повлиять на сон.
Одна из главных смен парадигм в современных нейронауках – смещение фокуса на не-нейрональные клетки мозга, глию. Наверное, больше всего работ в последнее время посвящено глиальным клеткам с максимальным разнообразием и максимальным количеством функций в мозге человека – астроцитам. Сейчас уже понятно, что эти клетки играют важнейшую роль в жизни и функционировании нейронов и передаче сигнала от одной клетки к другой. Также множество работ в нейронауках последнего времени посвящено исследованию старения мозга и тем изменениям, которые приводят к когнитивному ухудшению у пожилых людей. Однако то, как старение сказывается на астроцитах и их взаимодействию с нейронами до сих пор было изучено очень слабо. Новая работа, которую провел коллектив российских исследователей из московского Института биоорганической химии (ИБХ РАН), позволяет пролить свет на эту загадку. В статье, опубликованной в «профильном» журнале с говорящим названием AgingCell, авторы изучают, как изменяются астроциты в стареющем мозге.
Для своих исследований авторы во главе с Алексеем Семьяновым из ИБХ РАН и Алексеем Верхратским из Манчестерского университета использовали комплекс методов – двухфотонную микроскопию в сочетании с 3D-реконструкцией.
Исследователям удалось увидеть, что старение приводит к дистрофии астроцитов. «Возрастные» астроциты демонстрируют существенное уменьшение количества и длины отростков, а также нарушения в астроцит-астроцитарных соединениях.
Применив метод пэтч-клампа и методы кальциевого имиджинга для изучения физиологии астроцитов (а мы помним, что, в отличие от нейронов, астроциты «общаются» при помощи ионов кальция), ученые смогли увидеть изменения и в физиологии. Изменился рисунок кальциевого сигналинга, нарушилась «работа» астроцитов с ионами калия и глутамата, причем эти нарушения приводили к нарушениям в нейронах: исследования на мозге старых мышей показали корреляцию изменений в астроцитах с ухудшением долговременной потенциации нейронов в участке CA1 в гиппокампе, области, ответственной за обучение и память.
Если мы вспомним, что именно астроциты обеспечивают нормальную работу глутаматергических синапсов, регулируя количество нейромедиатора глутамата в синаптической щели, то можно сказать, что открытие авторов статьи позволяет предложить новый астроглиальный механизм возрастного снижения когнитивных функций. Таким образом, астроциты могут служить мишенью для терапевтических воздействий, нацеленных на замедление процесса старения мозга.
