Мозг состоит из отдельных областей, которые различаются по своим функциональным функциям и клеточной архитектуре. Например, гиппокамп – это область, хорошо известная своим участием в памяти и дисфункцией при таких заболеваниях, как болезнь Альцгеймера, в то время как неокортекс участвует в таких функциях, как восприятие, сознание и речь. Гиппокамп состоит из одного изогнутого клеточного слоя, а неокортекс – из шести слоев, расположенных друг над другом. На клеточном уровне, хотя они имеют общие канонические типы тормозных интернейронов (IN) и возбуждающих основных нейронов (PN), остается в значительной степени неизвестным, в какой степени один тип в разных областях мозга демонстрирует сходство в экспрессии генов, форме аксонов, связности и происхождение развития.
Чтобы подойти к этой проблеме, исследователи из лаборатории Хироки Танигучи, Ph.D., Руководитель исследовательской группы в Институте нейробиологии им. Макса Планка Флориды (MPFI) воспользовался преимуществами уникального класса ИН, называемых люстрами. Как следует из названия, эти нейроны имеют характерную форму люстры. Что наиболее важно, когда их аксональные отростки растягиваются и соединяются с соседними клетками, они почти всегда делают это в одном и том же месте на этом нейроне – начальном сегменте аксона – и нигде больше. Эти мощные тормозные связи контролируют выход сотен соседних возбуждающих ПН. Эти стереотипные черты и тот факт, что клетки люстры присутствуют как в гиппокампе, так и в неокортексе, делают их идеальной моделью для изучения региональных различий в одном каноническом типе нейронов.
Чтобы визуализировать различные типы клеток в головном мозге, исследователям часто требуется генетический доступ к этой клетке – способность выражать интересующий ген только, скажем, в клетках люстры, но не в соседних нейронах. Много лет назад Танигучи разработал метод изучения клеток канделябров в неокортексе, но доступ к клеткам гиппокампа так и остался труднодостижимым. Два постдокторанта в лаборатории Танигучи, Юго Ишино, доктор философии.D. и Майкл Йетман, Ph.D., пошел по его стопам, кропотливо просматривая молекулы, пока не обнаружили ту, которая надежно экспрессируется в клетках гиппокампа – кадгерин 6. К счастью, уже существовала модель мыши, которая позволила команде воспользоваться преимуществом этой экспрессии гена и использовать ее для сравнения двух популяций клеток.
Теперь, имея возможность сравнить эти две популяции, команда обнаружила, что клетки-канделябры в гиппокампе увеличиваются вдвое больше, чем аксональные ветви в неокортексе, и создают в два раза больше соединений, чем их аналоги. Кроме того, клетки люстры гиппокампа родились на несколько дней раньше во время эмбрионального развития, чем неокортикальные. Наконец, команда определила ген кальретинин в клетках гиппокампа, который не экспрессируется в неокортикальных клетках, что предполагает возможность того, что эти клетки также обладают разными функциональными свойствами.
Ученым было интересно, какие факторы определяют региональные различия в характеристиках этих клеток. Были ли черты предопределены генами, заложенными в начале жизни клетки?? Или среда, в которой они «выросли», имела более сильное влияние?
Чтобы ответить на этот вопрос о природе и воспитании, исследователи взяли клетки, которые должны были расти, чтобы стать клетками люстры в гиппокампе, и трансплантировали их в неокортекс, а также взяли клетки, которые будут расти, чтобы стать клетками неокортикальной люстры, и трансплантировали их в гиппокамп. Каждый в конечном итоге приобрел характеристики своих новых соседей, подразумевая, что среда, в которой они выросли, сильно влияла на судьбу этих клеток.
Эти результаты, как объяснил Танигучи, показывают, что изысканные модификации канонических типов нейронов в различных областях мозга могут способствовать их функциональной диверсификации. Будущие исследования должны выяснить молекулярные и клеточные механизмы, с помощью которых региональная среда контролирует фенотипические вариации типов нейронов.
Благодаря новому генетическому доступу к клеткам люстр гиппокампа, разработанным в лаборатории Танигучи в MPFI, нейробиологи могут начать задавать вопросы о функциях этих клеток в цепях обучения и памяти. Способность манипулировать конкретными генами в этих клетках гиппокампа-люстры может позволить провести более тщательные исследования нескольких заболеваний, включая эпилепсию и шизофрению, в которых эти нейроны были замешаны.