Редкие нейроны-«дирижёры»: Ключ к работе мозга и связи полушарий

Исследование, опубликованное в журнале eLife, показало: в мозге есть удивительно малочисленный, но очень важный тип нейронов, который играет роль «главного дирижёра» — определяет электрическую активность и управление притоком крови. Учёные из Университета Пенсильвании выяснили: если удалить эти специфические клетки, так называемые нейроны типа-I с нейрональной NO-синтазой (nNOS), с одной стороны мозга мыши — происходит значительное нарушение работы мозга как в этой области, так и в синхронизации между обоими полушариями.

Хотя этих клеток меньше 1% во всём корковом слое, благодаря разветвлённым связям они регулируют динамику работы мозга в целом. Их утрата может привести к снижению когнитивных функций с возрастом и при нейродегенеративных заболеваниях.

Мозг — орган с высоким спросом на энергию. Его миллиарды нейронов обмениваются электрическими сигналами, и им требуется стабильный приток кислорода и питательных веществ через кровоток. Эта тонкая взаимосвязь называется нейрососудистая сопряжённость. Когда активизируется группа нейронов, сосуды рядом расширяются, чтобы доставить больше крови. Принцип лежит в основе современных методов нейровизуализации, например, функциональной МРТ.

Ключевой медиатор для расширения сосудов — оксид азота. Его вырабатывает фермент нейрональная NO-синтаза (nNOS), находящаяся в определённых тормозных клетках — интернейронах. Исследователи обратили внимание на загадочную подгруппу — нейроны типа-I nNOS. Их особенность — наличие только у них в коре рецептора TACR1, который активируется веществом P. Учёные использовали это: к синтетическому веществу P прикрепили токсин сапорин, и ввели «боевую смесь» в зону мозга мыши, отвечающую за осязание усами.

В результате только нейроны типа-I погибли — остальные клетки не пострадали. Контрольная группа мышей получала безвредную версию вещества.

Через несколько недель учёные наблюдали: у животных с потерей этих редких нейронов устойчивый прирост кровотока при длительной стимуляции усами заметно ослаб, а привычный спад кровотока после короткой стимуляции напрочь исчез. Выходит, что эти нейроны не запускают ответ кровотока, но именно они формируют и поддерживают его во времени.

Ушли и ритмы — в диапазоне мозговых волн дельта (1–4 Гц) резко снизилась мощность. А это те самые «медленные» волны, важные для глубокого сна, памяти и очистки мозга от шлаков. Падение наблюдалось при бодрствовании, отдыхе и сне.

Но самое интересное — синхронность правого и левого полушарий после удаления нейронов тоже упала. Пульсации сосудов и активность нейронов по обе стороны стали хуже согласованы. Вывод: редкие нейроны типа-I — это ключевые узлы, «скрепляющие» работу обоих половин мозга.

Также снизилась амплитуда спонтанных ритмов кровеносных сосудов, так называемой васомоции — колебаний, помогающих циркуляции ликвора и выведению отходов. Без нейронов типа-I сосуды всё ещё пульсировали, но куда слабее.

Учёные оговорились: измерения проводили спустя недели после удаления клеток, возможно, за это время мозг подстроился. Также есть резервные механизмы расширения сосудов, поэтому совсем катастрофы не случилось. В других экспериментах активация этих нейронов вызывала крупные сосудистые эффекты, а уничтожение — более тонкие.

В будущем планируют изучить, чем чревата долговременная потеря этих клеток. Известно, что нейроны типа-I чувствительны к стрессу, возможно, их гибель с возрастом ускоряет снижение умственных способностей. Связав эти клетки с дельта-ритмами, синхронизацией и васомоцией, исследование открывает новые пути понимания, как мозг поддерживает здоровье и что происходит при его нарушении.

Авторы работы: Кевин Тёрнер, Дакота Брокуэй, Мд Шахакав Хоссейн, Кит Гриффит, Денвер Гринуолт, Цингуан Чжан, Кайл Герес, Николь Кроули, Патрик Дж. Дрю.