Астроциты: они генерируют электричество в мозге, и это не нейроны
Представьте себе, что нейроны — это болтуны внутри мозга. Они «разговаривают» друг с другом, обмениваясь импульсами электричества с помощью химических посланников — нейротрансмиттеров. Мозг повторяет этот процесс миллиарды раз в секунду и так преобразует скопления химических веществ в согласованные действия, воспоминания и мысли. Исследователи изучают работу мозга, подслушивая этот химический «разговор». Но нейроны «говорят» так громко и часто, что если есть другие, более тихие «голоса», то их трудно услышать.
Зачем нужны астроциты
На протяжении большей части XX века ученые-неврологи в основном соглашались с тем, что нейроны — единственные клетки мозга, которые передают электрические сигналы. Все остальные называются глия (от греческого слова «клей») или нейроглия, и они выполняют исключительно вспомогательные функции. Астроциты тоже входят в эту группу. Изначально ученые считали основной задачей астроцитов — удерживать нейроны вместе.
Однако с момента первого описания астроцитов в 1865 году исследователи обнаружили, что у них намного больше функций. Например, у них есть глутаматные рецепторы, с помощью которых они обнаруживают и убирают избыток нейромедиаторов в пространстве вокруг нейронов. Менее ясно, могут ли они использовать глутамат для генерации электрического сигнала.
Как развивались представления об астроцитах
В 1990 году исследователи обнаружили любопытное явление. Они наблюдали, как астроцит, подтип глиальных клеток, реагирует на глутамат — основной нейромедиатор, генерирующий электрическую активность.
В 1994 году исследователи стимулировали астроциты в блюде и увидели, что близлежащие нейроны реагируют, готовясь послать сигнал. А в 1997 году другие ученые наблюдали обратное: астроциты крыс отвечали на призывы нейронов колебательными волнами сигнальной молекулы кальция.
Нейроны и астроциты из гиппокампа крысы: нейроны окрашены зелёным, астроциты — красным. Источник: GE Healthcare
С 2000 по 2012 год исследователи опубликовали более 100 работ, в которых приводились доказательства способности астроцитов общаться через синапсы.
Тем временем взгляд на астроциты развивался, и ученые начали считать их активными участниками процесса обработки информации в мозге. Если нейроны и их ветвящиеся дендриты часто изображают в виде деревьев, то астроциты больше похожи на гриб, образуя плотно сплетенный коврик, который покрывает мозг и обменивается информацией между его составными частями. Таким образом, астроциты, похоже, образуют скоординированную паутину, влияющую на активность нейронов. Например, в 2016 году, проводя исследования в области нейронаук в Калифорнийском университете в Сан-Франциско, Кира Посканцер обнаружила, что астроциты мыши могут побуждать близлежащие нейроны входить в состояние ритмичного сна, регулируя глутамат.
«Это меньше похоже на то, что отдельная клетка делает свое дело, а больше на часть целой команды клеток, работающих вместе», — говорит Посканцер, которая сейчас работает в биотехнологическом стартапе Arcadia Science.
Астроциты действуют как нейроны, но не всегда
За прошедшие десятилетия исследовательские группы приводили противоречивые данные: одни сообщали, что астроциты подают сигналы, другие утверждали, что это точно не так.
Новая работа, опубликованная в журнале Nature, ставит точку в этом споре. Группа ученых под руководством Андреа Вольтерры, преподавателя Центра био- и нейроинженерии Wyss в Женеве (Швейцария) в течение 8 лет собирали доказательства того, что астроциты могут подавать сигналы. Во-первых, в исследовании есть изображения глутамата, вытекающего из астроцитов. Во-вторых, эти клетки обладают клеточным механизмом, позволяющим использовать глутамат так же, как это делают нейроны. Их назвали глутаматергическими астроцитами.
К тому же исследователи разобрались, почему десятилетиями ученые получали противоречивые выводы. Оказалось, что только некоторые астроциты могут осуществлять такую сигнализацию, поэтому результаты опытов зависят от того, какие астроциты брали в качестве образца.
Астроцит. Источник: https://www.flickr.com/photos/90305405@N02/8205606145
Вольтерра воспользовался новым подходом к изучению мозга: секвенированием РНК одной клетки, которое позволяет получить снимок полного набора генов, активных в отдельных клетках ткани. Проанализировав 8 баз данных клеток гиппокампа мыши, он выявил 9 кластеров астроцитов, отличающихся по активности генов. Астроциты одного кластера транскрибировали белки, которые участвуют в хранении, высвобождении и транспортировке нейротрансмиттеров с помощью везикул, как это происходит в нейронах. Клетки не были равномерно распределены по области мозга или даже по определенным цепям.
Чтобы выяснить, есть ли такие клетки у людей, Вольтерра и его команда проверили 3 базы данных клеток гиппокампа человека на наличие тех же белковых сигнатур, которые они наблюдали в астроцитах мышей. Эти сигнатуры обнаружили во всех трех наборах данных.
Однако эти генетические данные все еще оставались косвенным доказательством. Вольтерре нужно было показать сигналы в действии. Он и его команда смоделировали сигнал от нейронов к астроцитам в срезах мозга мыши и сделали снимки молекул, выделяемых астроцитами. Некоторые —, но не все — астроциты ответили глутаматом. А когда исследователи лишили астроциты возможности использовать везикулы, клетки перестали выделять глутамат. Для Вольтерры доказательства были очевидны.
Новый класс клеток мозга: вопросы множатся
Ученые все больше приходят к мысли, что в работе мозга участвуют все типы клеток, а не только нейроны. И это исследование доказало это. Полученные результаты почти наверняка перевернут нынешнее представление о том, как мозг общается. Но каким образом — вопрос открытый. Знание того, что астроциты могут подавать сигналы, — это только первый шаг. Этот факт не дает ответа на вопрос, как синапсы реагируют на астроцитарный глутамат. Он не объясняет, почему в одних областях мозга глутаматергических астроцитов больше, чем в других, или почему какое-то подмножество использует эту функцию, а остальные — нет. На эти вопросы еще предстоит найти ответы.
Полный текст статьи читайте на Компьютерра
