В оркестре мозга активация каждого нейрона контролируется двумя нотами – возбуждающей и тормозящей, – которые исходят от двух различных форм клеточной структуры, называемых синапсами. Синапсы – это, по сути, связи между нейронами, передающие информацию от одной клетки к другой. Синаптические гармонии объединяются, чтобы создать самую изысканную музыку – по крайней мере, большую часть времени.
Когда музыка становится несогласованной и у человека диагностируется заболевание мозга, ученые обычно обращаются к синапсам между нейронами, чтобы определить, что пошло не так. Но новое исследование нейробиологов из Университета Дьюка предполагает, что было бы полезнее взглянуть на дирижера оркестра в белых перчатках – астроцита.
Астроциты – это звездчатые клетки, которые образуют клейкий каркас мозга. Это один из видов клеток, называемый глия, что в переводе с греческого означает "клей." Ранее было обнаружено, что они участвуют в управлении возбуждающими синапсами, команда ученых Duke также обнаружила, что астроциты участвуют в регулировании тормозных синапсов, связываясь с нейронами через молекулу адгезии, называемую NrCAM. Астроциты протягивают тонкие тонкие щупальца к тормозному синапсу, и когда они соприкасаются, адгезия формируется NrCAM. Их результаты были опубликованы в журнале Nature 11 ноября.
"Мы действительно обнаружили, что астроциты – это проводники, которые управляют нотами, составляющими музыку мозга," сказал Скотт Содерлинг, доктор философии.D., заведующий кафедрой клеточной биологии медицинского факультета и старший автор статьи.
Возбуждающие синапсы – ускоритель мозга – и тормозящие синапсы – тормоза мозга – ранее считались наиболее важными инструментами в мозге. Слишком сильное возбуждение может привести к эпилепсии, слишком сильное торможение может привести к шизофрении, а дисбаланс в любом случае может привести к аутизму.
Однако это исследование показывает, что астроциты играют важную роль в общей функции мозга и могут быть важными мишенями для лечения мозга, сказал соавтор исследования Кагла Эроглу, доктор философии.D., доцент кафедры клеточной биологии и нейробиологии медицинского факультета. Эроглу – мировой эксперт по астроцитам, и ее лаборатория обнаружила, как астроциты отправляют свои щупальца и соединяются с синапсами в 2017 году.
"В большинстве случаев исследования, изучающие молекулярные аспекты развития мозга и болезни, изучают функцию генов или молекулярную функцию в нейронах, или они рассматривают только нейроны как первичные клетки, на которые воздействуют," сказал Эроглу. "Однако здесь мы смогли показать, что, просто изменив взаимодействие между астроцитами и нейронами – в частности, манипулируя астроцитами – мы также смогли кардинально изменить проводку нейронов."
Содерлинг и Эроглу часто сотрудничают в области науки, и они обсудили план проекта за кофе и выпечкой. План состоял в том, чтобы применить протеомный метод, разработанный в лаборатории Содерлинга, который в дальнейшем развил его научный сотрудник Тецуя Такано, ведущий автор статьи.
Такано разработал новый метод, который позволил ученым использовать вирус для введения фермента в мозг мыши, который маркирует белки, соединяющие астроциты и нейроны. После маркировки этой меткой ученые могли извлекать меченые белки из ткани мозга и использовать масс-спектрометрическое оборудование Duke для идентификации молекулы адгезии NrCAM.
Затем Такано объединился с Кэти Болдуин, научным сотрудником лаборатории Эроглу, чтобы провести тесты, чтобы определить, как молекула адгезии NrCAM играет роль в связи между астроцитами и тормозными синапсами. Вместе лаборатории обнаружили, что NrCAM является недостающим звеном, которое контролирует, как астроциты влияют на тормозные синапсы, демонстрируя, что они влияют на все «ноты» мозга.
"Нам очень повезло, что у нас были действительно сплоченные члены команды," сказал Эроглу. "Они очень много работали и были открыты для безумных идей. Я бы назвал это безумной идеей."