Резервы нервных клеток для восстановления мозга расходуются в самых критических случаях. Биохимики выяснили, что именно удерживает нейрональные стволовые клетки в спящем состоянии.
Человеческий мозг, как и мозг многих животных, имеет большой запас прочности. На стадии внутриутробного развития у эмбриона образуется излишек нейронов. Правда, к моменту рождения большая часть нервной ткани (до 70%) погибает. Гибель нейронов продолжается и после рождения человека. Причем в отличие от остальных клеток только нейроны и клетки сердечной мышцы не способны размножаться, хотя формально эти ткани и восстанавливаются. Тем не менее генетический репродуктивный материал в обоих органах заблокирован.
Заплатки для мозга
Доживая до глубокой старости, люди не всегда выживают из ума, потому что некоторые «износившиеся» участки мозга способны восстанавливаться за счет нейрогенеза (появления новых нейронов). Наиболее отчетливо (в видимых изменениях) нейрогенез можно наблюдать на примере птиц. Так, канарейка Serinus Canaria каждый брачный сезон исполняет новую песню. Изменения фонотеки у самцов связано с обновлением «певчего центра». К окончанию брачных игр «певчие» нейроны погибают из-за избыточной функциональной нагрузки. Поэтому с наступлением нового брачного сезона стволовые клетки мозга начинают «латать дыры» и образуют новые, функционально полноценные нейроны.
Мозг млекопитающих также снабжен системой регенерации. Нейрональные стволовые клетки располагаются в двух зонах -- неподалеку от боковых желудочков мозга. Здесь у взрослого животного появляются новые клетки, которые способны перемещаться в другие отделы головного мозга и превращаться в полноценные нейроны. Стволовые клетки можно пересадить в поврежденный участок мозга -- там они приобретут специфические свойства. Например, в сетчатке глаза пронейрон превратится в палочку или колбочку, в зависимости от того, в чем нуждается сетчатка. То есть недифференцированная клетка способна принять облик окружающих ее соседей.
Нейрональные стволовые клетки изучены неплохо. Исследователи в разное время проводили эксперименты на животных, исцеляя их от нейродегенеративных заболеваний с помощью недифференцированных клеток. Но в их поведении до сих пор остаются «белые пятна». Так, ученые все еще не могут объяснить, почему стволовые клетки мозга большую часть времени находятся в состоянии покоя. Не изучен и молекулярный механизм, который заставляет их выйти из «дремоты» и начать «залатывать» мозг.
Спящие нейроны
С 2001 по 2007 год ученые из разных стран совершили немало открытий, которые частично проливают свет на тайны нейрогенеза. Так, исследователи выделили два типа стволовых клеток в субгранулярной зоне гиппокампа -- радиальные и нерадиальные SOX2+. Радиальные SOX2+ -- запас стволовых клеток. Из них рождаются нерадиальные, которые включаются в цикл нейрогенеза.
Биологи также выяснили, что количество активных стволовых клеток в мозге взрослых млекопитающих чрезвычайно мало. Большая часть «родителей» нейронов «дремлет». В опыте с мышами экспериментаторы показали, что с возрастом общее количество нейрональных стволовых клеток значительно уменьшается. Это связано с тем, что стволовые клетки, скорее всего, имеют ограниченные нейрогенные способности. Учитывая, что у стволовых клеток могут быть ограничения, становится понятно, почему основная часть нейрональных стволовых клеток «спит». Ведь если все клетки будут при первой же необходимости приступать к нейрогенезу, то вскоре весь «стратегический запас» будет исчерпан. Поэтому радиальные SOX2+ и не торопятся заменить погибший нейрон. Да и не обязательно это делать. Ведь нервная система настолько пластична, что при необходимости один нейрон может взять на себя функции девяти погибших «коллег». Клетка SOX2+ «знает» об этом и идет на помощь, только если ее «попросят».
Стоит учесть, что высокий уровень нейрогенеза может даже угрожать жизни. Ведь неконтролируемый рост нейронов приведет к образованию опухоли -- раку.
Снотворное для клеток
Ученые под руководством коллег из Института биологических исследований имени Джонаса Солка (Salk Institute for Biological Studies) решили найти и изучить молекулярный механизм, который подавляет развитие стволовых клеток, тем самым оставляя запас пронейронов на черный день и одновременно предупреждая развитие опухоли.
Исследователи обратили внимание на группу белков BMP, которые регулируют работу других стволовых клеток. Этот же белок оказывает неоднозначное влияние на развитие нервной системы -- он был замечен при апоптозе нейронов, пролиферации клеток нервной трубки эмбриона и нейрогенезе. Однако влияние BMP на нейрональные стволовые клетки в созревшем мозге млекопитающих пока не изучено.
Ученые из Испании, Италии, Германии и США под руководством Хелены Мира (Helena Mira) исследовали влияние эндогенного BMP на стволовые клетки мозга. Они провели две серии опытов (in vivo и in vitro), в ходе которых изучали функциональную активность белка в клетках с заданными мутациями (делеция генов, ответственных за синтез BMP и SMAD1). Экспериментаторы также проследили за поведением стволовых клеток в присутствии антагониста BMP -- ноггина. Подробности эксперимента и результаты исследований биологи изложили в статье Signaling through BMPR-IA Regulates quiescence and long-term activity of neural stem cells in the adult hippocampus, журнал Stem Cell от 1 июля 2010 г.
На примере мышей ученые продемонстрировали, что белок BMP тормозит развитие стволовых нервных клеток и регулирует количественное соотношение «дремлющих» и «бодрствующих» пронейронов. Белок-усыпитель действует на рецептор BMP-IA, который и заставляет клетки «отсиживаться» до тех пор, пока у мозга не возникнет в них острой потребности. Исследователи также описали механизм воздействия белка на рецепторы -- фосфорилирование протеина SMAD1.
Специалисты уверены, что полученные знания в значительной мере помогут бороться с такими нейродегенеративными заболеваниями, как болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера. В следующих работах ученые попытаются понять, посредством каких молекулярных механизмов здоровый образ жизни и физические упражнения позволяют оградить мозг от старческого слабоумия.
