Ученые смогли обратить вспять у мышей симптомы, похожие на аутизм

Фото из открытых источников

Недавнее исследование, опубликованное в журнале Cell Death & Disease, предполагает, что специфические клеточные аномалии в мозге, связанные с расстройством аутистического спектра, могут быть обратимыми. Искусственно активировав целевой нейронный путь в мышиной модели, ученые успешно восстановили структуру ключевого компонента нейрона и улучшили социальное и повторяющееся поведение. Это свидетельствует о том, что некоторые основные симптомы расстройства обусловлены адаптивными изменениями в мозге, а не необратимыми повреждениями.

Расстройство аутистического спектра, широко известное как РАС, — это сложное нарушение развития, характеризующееся трудностями в социальной коммуникации и наличием ограниченного или повторяющегося поведения. Генетические факторы играют значительную роль в развитии РАС. Одним из известных генетических факторов риска является дупликация определенного хромосомного участка, обозначаемого как 15q11-13. Мышиные модели, несущие эту генетическую дупликацию, как правило, демонстрируют поведенческие симптомы, аналогичные человеческому РАС.

Чтобы лучше понять биологические корни этих симптомов, ученые сосредотачиваются на микроскопических структурах головного мозга. Нейроны, или нервные клетки, обмениваются информацией, посылая электрические сигналы, называемые потенциалами действия. Эти сигналы генерируются в определенном месте нейрона, называемом начальным сегментом аксона. Начальный сегмент аксона обладает высокой адаптивностью, то есть он может изменять свою длину и положение, регулируя легкость генерации нейроном электрического сигнала, что является формой пластичности мозга.

Исследовательская группа, работающая в сотрудничестве с другими учеными, поставила перед собой цель определить, представляют ли структурные изменения, наблюдаемые в начальном сегменте аксона у мышей с расстройствами аутистического спектра (РАС), необратимое структурное повреждение или же это обратимое состояние. Руководителем группы был Масаси Фудзитани, профессор кафедры анатомии и нейробиологии медицинского факультета Университета Симанэ, а также его коллеги из Университета Кобе и Медицинского университета Хёго.

«Это исследование было мотивировано моим интересом к выявлению аномальных нейронных цепей в головном мозге», — сказал Фудзитани. «Поскольку известно, что начальный сегмент аксона (AIS) изменяет свою длину в зависимости от активности, мы предположили, что его свойства могут различаться в разных нейронных цепях в зависимости от их проекционных целей».

Авторы проанализировали в общей сложности 214 мышей, сравнивая нормальных здоровых мышей с мышиной моделью РАС, несущей генетическую дупликацию. Они использовали микроскопы высокого разрешения и флуоресцентные маркеры для измерения длины начального сегмента аксона в различных областях мозга. Они сосредоточились на пирамидальных нейронах, которые являются основным типом возбуждающих нервных клеток в коре головного мозга. Исследователи целенаправленно изучали медиальную префронтальную кору, область мозга, известную своей ролью в регулировании социального поведения, принятия решений и эмоциональных реакций.

Исследователи использовали метод регистрации электрической активности целых клеток с помощью патч-клемпа для измерения электрических свойств срезов мозга. Результаты показали, что у мышиной модели РАС начальный сегмент аксона был значительно укорочен в определенном подслое медиальной префронтальной коры. Эта укороченная структура привела к снижению нейронной возбудимости, то есть нейронам стало гораздо сложнее генерировать электрические сигналы. Это укорочение действует как гомеостатическая адаптация, то есть мозг пытается сбалансировать свою общую электрическую активность.

Интересно, что эта структурная аномалия не была распространена по всем клеткам мозга. Исследователи использовали метод ретроградного трассирования, чтобы определить, куда аномальные нейроны посылали свои сигналы. Они обнаружили, что укороченные клеточные структуры были высокоспецифичны для нейронов, соединяющих медиальную префронтальную кору с другими отдаленными областями мозга.

«В соответствии с этой идеей мы обнаружили специфические для проекций изменения в структуре AIS», — отметил Фудзитани. Одним из наиболее затронутых путей оказалась связь с дорсальным ядром шва, которое является основным источником серотонина в мозге и играет важную роль в социальном взаимодействии.

Чтобы проверить, можно ли исправить эту структурную аномалию, ученые применили сложный метод, называемый хемогенетикой. Этот метод включает использование сконструированных вирусных векторов для доставки специализированных рецепторов в определенные группы нейронов. Эти вновь введенные рецепторы остаются неактивными до тех пор, пока исследователи не введут определенный специально разработанный препарат.

Команда исследователей целенаправленно воздействовала на конкретную нейронную цепь, идущую от медиальной префронтальной коры к дорсальному ядру шва. После введения рецепторов они подождали четыре недели, а затем ввели мышам однократную инъекцию активирующего препарата.

Последующий анализ ткани головного мозга показал, что этой единственной целенаправленной активации было достаточно для повторного удлинения укороченных начальных сегментов аксонов. Структура нервных клеток в мышиной модели РАС вернулась к длине, сопоставимой с длиной нервных клеток здоровых контрольных мышей. Исследователи подтвердили, что длина соответствующих белков натриевых каналов также нормализовалась. Это подтвердило, что укороченное состояние начального сегмента аксона является обратимой адаптацией, а не постоянным дефектом.

«Одним из неожиданных открытий стало то, что наблюдаемые нами отклонения не обязательно были постоянными», — сказал Фудзитани. «В некотором смысле, казалось, что система просто "слишком сильно изменилась", а не была коренным образом сломана. Мы обнаружили, что эти изменения обратимы, что говорит о том, что лежащая в основе дисфункция нейронных цепей не является необратимой. Это дает нам надежду на то, что в будущем может быть возможно восстановить нормальную функцию и разработать терапевтические подходы».

Исследователи также хотели выяснить, улучшит ли исправление этой клеточной структуры поведенческие симптомы животных. Они использовали выборку из 11 мышей в каждой группе для проведения двух стандартных поведенческих оценок. Трехкамерный тест использовался для измерения социальных предпочтений и социальной новизны. В этом тесте исследователи отслеживали, сколько времени мышь проводила, взаимодействуя с новой, незнакомой мышью по сравнению с неодушевленным деревянным бруском.

Вторым поведенческим тестом был тест на закапывание шариков. Этот тест используется для оценки повторяющегося и тревожного поведения у грызунов. Исследователи поместили мышей в клетку, где на подстилке было равномерно распределено 20 стеклянных шариков. Затем они подсчитали, сколько шариков мыши компульсивно закопали за 30 минут.

До начала лечения мышиные модели с РАС демонстрировали значительные социальные нарушения в трехкамерном тесте и закапывали большое количество шариков. Через час после активации исследователями специфической нейронной цепи с помощью хемогенетического препарата мыши снова прошли поведенческие тесты. У мышей, подвергшихся лечению, наблюдалось значительное улучшение социальных взаимодействий: они проводили нормальное количество времени, взаимодействуя с незнакомыми мышами. Они также закапывали значительно меньше шариков, что полностью соответствовало нормальному поведению здоровых контрольных мышей.

«Важный вывод из нашего исследования заключается в том, что изменения в начальном сегменте аксона (AIS) потенциально могут служить биомаркером для выявления аномальных нейронных цепей в головном мозге», — сказал Фудзитани. «Кроме того, мы обнаружили, что эти аномалии AIS обратимы. Это говорит о том, что лежащая в основе дисфункция не обязательно является постоянной, что повышает вероятность восстановления аномалий нейронных цепей при определенных условиях».

Хотя эти результаты многообещающие, следует учитывать ряд ограничений и потенциальных неверных интерпретаций. Команда оценивала клеточную пластичность мозга, используя законсервированные, фиксированные образцы тканей, а не наблюдая за живыми клетками в течение времени. Использование методов визуализации живых клеток в будущем позволило бы получить более точную картину в реальном времени того, как изменяется форма начального сегмента аксона. Авторы также отмечают, что они измеряли общую электрическую возбудимость области мозга, но не регистрировали напрямую электрическую активность отдельных нейронов, которые они восстанавливали.

«Одним из важных ограничений нашего исследования является то, что оно проводилось на мышах, поэтому необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, можно ли напрямую применить полученные результаты к людям», — предупредил Фудзитани. «Кроме того, мы исследовали только одну модель расстройства аутистического спектра. Важно проверить, будут ли наблюдаться аналогичные результаты в разных моделях и условиях».

Полученные результаты позволяют предположить, что будущие терапевтические стратегии при нейроразвивающих расстройствах могут выиграть от воздействия на конкретные нейронные пути. Необходимы дальнейшие исследования с использованием целенаправленных методов регистрации для непосредственной демонстрации функционального воздействия этих структурных изменений на уровне отдельных клеток.

«Расстройства аутистического спектра встречаются относительно часто, и наши результаты показывают, что лежащие в их основе нейронные цепи могут быть не фиксированными, а сохранять способность к изменениям», — сказал Фудзитани. «Вместо того чтобы просто пытаться в целом корректировать активность мозга с помощью лекарств, возможно, важнее думать о конкретных «переключателях» внутри нейронных цепей. Мы считаем, что выявление и надлежащее управление этими переключателями может стать важным шагом к более точным и эффективным методам лечения».

В перспективе исследователи планируют усовершенствовать эти целенаправленные подходы для потенциального клинического применения.

«В долгосрочной перспективе мы надеемся разработать методы лечения, которые смогут воздействовать на конкретные нейронные цепи в человеческом мозге», — добавил Фудзитани. «Один из потенциальных подходов может включать в себя сочетание таких методов, как сфокусированный ультразвук и вирусные векторы, для избирательной модуляции нейронных цепей. Однако это пока еще отдаленная цель, и потребуются значительные дальнейшие исследования».