Мозг производит новые нейроны и во взрослом возрасте

Фото из открытых источников

В течение десятилетий нейробиологи боролись — и регулярно боролись — с, казалось бы, основным вопросом о человеческом мозге: создает ли он новые нейроны во взрослом возрасте? Этот процесс, называемый нейрогенезом, был задокументирован у взрослых грызунов, но окончательные доказательства у людей оставались неуловимыми. 

Теперь исследовательская группа взялась за эту старую проблему с помощью двух современных инструментов, объединив форму искусственного интеллекта (ИИ), известную как машинное обучение, и метод демонстрации активности генов в отдельных клетках. В Science today группа идентифицирует клетки в ткани мозга взрослого человека с генетической сигнатурой нейронных предшественников, клеток, которые могут делиться, создавая нейроны.

Некоторые нейробиологи рассматривают результат как неопровержимое доказательство того, что нейрогенез происходит в гиппокампе взрослого человека, части мозга, которая отвечает за обучение и память, хотя новая работа предполагает, что это происходит медленнее, чем в развивающемся мозге, и сильно различается у разных людей — некоторые взрослые могут вообще не генерировать новые нейроны. Авторы исследования теперь надеются повернуть свое исследование к изучению того, как этот процесс способствует обучению и памяти во взрослом возрасте. 

«Эта статья внесет огромный вклад в эту область», — говорит Евгения Сальта из Нидерландского института нейронауки, которая изучает нейрогенез, но не принимала участия в работе. Она предлагает «доказательство концепции» того, что нейроны рождаются во взрослом гиппокампе даже по мере того, как мы стареем, говорит она.

В начале 1900-х годов Сантьяго Рамон-и-Кахаль, первый человек, охарактеризовавший структуру нейронов, предположил, что клетки мозга «фиксированы, завершены и неизменны» после рождения человека. Даже после того, как нейробиологи поняли, что мозг созревает и растет после рождения, они считали нейрогенез процессом, ограниченным детством: стволовые клетки становятся предшественниками, давая начало незрелым нейронам, которые развиваются в зрелые клетки, на которые мы полагаемся всю оставшуюся жизнь. Ранние эксперименты на грызунах, которые идентифицировали нейронных предшественников у взрослых животных, были в значительной степени отклонены как не имеющие отношения к людям, поскольку «люди не большие мыши», говорит Герд Кемперманн, врач из Дрезденского технического университета.

Но начиная с 1990-х годов появились исследования, которые поставили под сомнение это предположение, маркируя то, что, по-видимому, активно делилось клетками у взрослых приматов и мозга умерших больных раком. В 2013 году, используя инновационную технологию радиоуглеродного датирования для оценки возраста нейронов, нейробиолог Йонас Фризен из Каролинского института (КИ) опубликовал доказательства, предполагающие, что нейроны формировались в человеческом гиппокампе и во взрослом возрасте. Но активная группа нейробиологов осталась неубежденной.

Совсем недавно исследования с использованием флуоресцентных антител для маркировки белков в посмертных исследованиях тканей мозга взрослых дали противоречивые результаты. Некоторые исследователи не обнаружили маркеров молодых нейронов или их предшественников; другие обнаружили даблкортин , белок, который, как считается, высвобождается незрелыми нейронами, и утверждали, что он не был обнаружен в предыдущих работах из-за несовершенных методов сохранения тканей.

В новой статье Фризен и его команда полагаются на машинное обучение для определения характерной активности генов молодых нервных клеток в мозге взрослых грызунов. Они секвенировали нити РНК в отдельных клетках и проанализировали матричные РНК (мРНК), которые представляют собой инструкцию по производству белка, полученную из активного гена. Затем группа искала похожую активность генов в данных секвенирования РНК отдельных клеток из посмертной ткани человека. Другая команда впервые применила этот подход в статье Nature 2022 года, идентифицировав клетки с характеристиками незрелых нейронов в гиппокампе взрослого человека . Но эти исследователи не смогли найти предшественников незрелых клеток, нейронных предшественников — недостающее звено, которое команда Фризена стремилась обнаружить.  

Исследователи ожидают, что нейронные предшественники будут встречаться еще реже, чем незрелые нейроны, которые они порождают. Чтобы найти их, команда Фризена придумала способ сортировать и изолировать клетки, которые, вероятно, являются предшественниками. Затем она могла бы сравнить их генетические особенности с особенностями клеток гиппокампа как взрослых грызунов, так и детенышей человека. Это сужение вероятных нейронных предшественников является «главным достижением статьи», говорит нейробиолог Хонгджун Сонг из Пенсильванского университета, соавтор исследования 2022 года.

Из примерно 300 000 нейронов гиппокампа человека, от мозговой ткани подростков до семидесятилетних людей, алгоритм команды Фризена идентифицировал 354 как клетки-предшественники. Среди генов, экспрессируемых в этих клетках, не было «золотого билета», говорит Сальта — ни одного активного гена, отличающего предшественника от всех других типов клеток. Напротив, анализ выявил множество маркеров, которые в совокупности могут указывать на взрослого нейронного предшественника, говорит она.  

У разных человеческих мозгов было совершенно разное количество предшественников, отмечает Сальта, который предполагает, что наша способность к нейрогенезу может быть чувствительна ко многим экологическим или биологическим факторам. В более молодом мозге, как правило, было больше нейронных предшественников, чем в более старом, а ткань пяти из 14 взрослых в наборе данных не имела различимых нейронных предшественников. Для тех, у кого они были, до сих пор неясно, возникли ли предшественники во взрослом мозге или присутствовали с младенчества и просто медленно созревают, отмечают авторы.

Результаты исследования показывают, что скорость роста новых нейронов у взрослых низкая, говорит Фризен, хотя новое исследование не оценивает точную скорость. Более ранняя работа его команды предполагала, что каждый день формируется около 700 новых нейронов, что составляет менее 0,03% нейронов во взрослом гиппокампе.

Шон Сорреллс, нейробиолог из Питтсбургского университета, говорит, что методы в новом исследовании «в значительной степени косвенные и должны быть подтверждены другими подходами». Сорреллс, соавтор исследования маркировки антител, которое не нашло никаких доказательств взрослого нейрогенеза, предполагает, что алгоритм машинного обучения, возможно, был обучен определять предшественников, которые дают начало ненейрональным клеткам мозга, называемым глией, которые, как известно, регенерируют во взрослом возрасте. В целом, результаты показывают, что нейронные предшественники, вероятно, «редки или отсутствуют у большинства людей», говорит он, и все еще возможно, «что клетки, которые [авторы] идентифицируют, являются шумом или каким-то другим типом клеток».

Ионут Думитру, научный сотрудник КИ и первый автор статьи, говорит, что клетки-предшественники, которые его группа использовала в качестве референтных, экспрессировали гены, характерные для нейронов, а не для глиальных клеток-предшественников. 

Кемперманн и другие считают, что новые результаты подтверждают аргумент в пользу нейрогенеза у взрослых. «Если вы посмотрите на всю совокупность доказательств, которые у нас есть сегодня, то мы должны сказать, что спор окончен», — утверждает он.

Сонг говорит, что «следующим рубежом» является изучение того, способствуют ли различия в скорости нейрогенеза в гиппокампе таким проблемам, как снижение когнитивных способностей, наблюдаемое у людей с болезнью Альцгеймера, — открытие, которое может указать на потенциальные методы лечения. Фризен также стремится положить конец давним дебатам. «Надеюсь, это не создаст новых противоречий, а скорее приведет к некоторому объединению».