Исследование показало, что нейроны могут общаться через скрытую сеть нанотрубок

Фото из открытых источников

Нейробиологи изучают синапсы — фундаментальные соединения, обеспечивающие быструю коммуникацию между нейронами, — уже более века. Однако теперь исследовательская группа обнаружила в мозге другой набор нейронных связей, который может полностью обходить синапсы. Новое исследование было опубликовано в журнале Science.

Используя изображения мозга мыши и человека высокого разрешения, исследователи задокументировали сеть трубок, каждая длиной около 3 микрометров и толщиной всего несколько сотен нанометров, соединяющих нейроны друг с другом. В клетках мышей команда обнаружила свидетельства передачи электрических сигналов от нейрона к нейрону через эти нанотрубки и даже прохождение белков, связанных с болезнью Альцгеймера.

«Мы уже много лет изучаем мозг, и время от времени нас преподносят сюрпризы», — говорит Лари Уокер, нейробиолог и почётный профессор Университета Эмори, не принимавший участия в исследовании. Хотя фундаментальная биология этих нанотрубок ещё многое не изучена, он предполагает, что это открытие может иметь далеко идущие последствия для понимания учёными нейронной коммуникации и болезней.

Исследователи уже знали, что некоторые клетки образуют нанотрубки. В статье, опубликованной в журнале Science в 2004 году, группа исследователей из Германии описала крошечные каналы , которые спонтанно возникали между клетками почек крысы в пробирке и позволяли переносить органеллы. С тех пор исследования задокументировали эти так называемые туннелирующие нанотрубки (ТНТ) в различных типах клеток и тканей и связали их присутствие с такими процессами, как развитие органов, восстановление тканей и распространение вирусов в организме.

Недавние исследования выявили ТНТ, образующиеся между нейронами и микроглией, иммунными клетками мозга, и указали на их важные функции для здоровья и развития заболеваний мозга. Однако учёные столкнулись с трудностями при поиске подобных проводников, соединяющих нейроны друг с другом в мозге млекопитающих. Поиски особенно сложны, поскольку разветвлённые концы нейронов, или дендриты, образуют переплетённую структуру, а также потому, что у исследователей нет молекулярных маркеров, позволяющих отличить нанотрубки от других клеточных структур.

В новом исследовании нейробиолог Хёнбэ Квон из Университета Джонса Хопкинса и его коллеги внимательно изучили недавно опубликованные электронно-микроскопические изображения коры головного мозга человека и мыши. Они обнаружили нечто похожее на тонкие трубки, соединяющие дендриты, но оба конца туннеля были закрыты, а не открыты, как у типичных ТНТ. И хотя ранее описанные ТНТ имели размер в основном 10 микрометров и более, эти оказались всего около 3 микрометров. Группа Квона назвала эти потенциально новые структуры дендритными нанотрубками (ДНТ).

Чтобы узнать больше об этих мини-связях, исследователи получили изображения срезов мозга мыши и отдельных нейронов в чашке Петри с помощью микроскопии сверхвысокого разрешения — метода, превосходящего разрешение обычных оптических микроскопов. Затем они использовали методы машинного обучения для анализа изображений на предмет характерных особенностей, подтвердив, что эти трубки отличаются от других веретенообразных фрагментов нейронных клеток. Они также сделали покадровые снимки формирования и распада ДНТ в культивируемых нейронах в течение нескольких минут или часов.

Исследователи обнаружили, что ДНТ, по-видимому, передают электрические сигналы между соседними нейронами посредством переноса заряженных частиц. Когда команда искусственно повышала концентрацию ионов кальция внутри одного нейрона, соседние нейроны регистрировали соответствующее повышение уровня кальция — эффект, который можно было частично блокировать обработкой клеток химическим веществом под названием цитохалазин D, ингибирующим образование нанотрубок.

Каналы также транспортировали молекулы от одного нейрона к другому. В частности, учёные обнаружили, что если ввести человеческий бета-амилоид, белок, участвующий в развитии болезни Альцгеймера, в один нейрон мыши, он быстро появлялся в соседних клетках. Применение цитохалазина D останавливало этот межклеточный перенос.

Исследователи сообщают, что дополнительные эксперименты и компьютерное моделирование показали, что сеть DNT может способствовать накоплению бета-амилоида внутри нейронов. Поскольку внутриклеточное накопление амилоида является ранним признаком болезни Альцгеймера, исследователи предполагают, что нанотрубки играют роль в прогрессировании заболевания.

Исследователи, не участвовавшие в исследовании, утверждают, что ДНТ, по-видимому, представляют собой новую форму связи в мозге млекопитающих. «Самое интересное в этом то, что это очень прямая [форма] клеточной коммуникации», — говорит Майкл Хенека, нейробиолог из Люксембургского университета, изучавший ТНТ между микроглией и нейронами и ставший соавтором статьи в журнале Perspective, сопровождающей исследование в журнале Science.

Уокер и другие предупреждают, что пока рано делать выводы о роли ДНТ в развитии заболеваний, отмечая, что пока неясно, насколько распространены эти структуры, как именно они образуются и что именно они транспортируют. Эксперименты группы с бета-амилоидом могут не отражать поведение белка в мозге животных, добавляет Дэвид Рубинштейн, клеточный биолог, изучающий нейродегенеративные заболевания в Кембриджском университете. По его словам, большая часть внутриклеточного бета-амилоида, вероятно, заключена в мембранах различных органелл, тогда как в данном исследовании он свободно перемещался внутри нейронов мышей.

Квон говорит, что его команда хочет глубже изучить, как ДНТ переносят груз, и выяснить, транспортируют ли трубки другие белки, связанные с заболеваниями, такие как тау — белок, который крупнее бета-амилоида и также участвует в развитии болезни Альцгеймера.

Независимо от того, окажутся ли эти новые структуры соучастниками нейродегенерации или нет, новое исследование, несомненно, станет «отправной точкой для дальнейшей работы», говорит Рубинштейн. «Они описали нечто очень интересное».