Знание-сила, 2008 № 09 (975)

И все-таки они восстанавливаются

Многие из нас слышали от друзей — не расстраивайся, береги нервы! Ведь нервные клетки не восстанавливаются. Действительно, взрослая нервная клетка слишком велика и слишком сложно устроена, чтобы размножаться. Деление клетки требует сложной подготовки, а взрослый нейрон не может себе этого позволить — он работает. Так же поступают и многие другие специализированные клетки — зрелый эритроцит, например, вообще лишен ядра, время его жизни ограничено временем жизни молекул, синтезированных еще в клетке-предшественнике. Но это не значит, что смерть эритроцита — трагедия. Нет, в костном мозгу из стволовых клеток крови формируются новые и новые эритроциты, восполняя естественную убыль.

Закономерно возник вопрос: нет ли и в головном мозгу каких-нибудь размножающихся клеток, восполняющих убыль погибших нейронов? Еще в начале 60-х американские ученые Алтман и Дас показали, что в мозгу взрослых крыс происходит образование новых нейронов в особом месте — так называемой зубчатой фасции гиппокампа (dentate gyrus). Гиппокамп расположен в височных отделах больших полушарий, он принадлежит к самой старой части переднего мозга — к лимбической системе. Эта система отвечает за эмоциональную жизнь, за настроение и сексуальное поведение. Повреждение гиппокампа приводит к утрате кратковременной памяти, объем гиппокампа уменьшается у людей, страдающих депрессией, у животных, находящихся в состоянии стресса. В 1967 году те же Алтман и Дас опубликовали работу, в которой показали наличие размножающихся нервных клеток в гиппокампе взрослой морской свинки. Выбор такого необычного объекта (не лабораторных крыс или мышей, а морских свинок) был связан с большей зрелостью их мозга при рождении. Детеныши свинок, в отличие от крысят и мышат, рождаются гораздо более зрелыми, со сформированным мозгом и органами чувств.

Однако в мозгу приматов ничего подобного обнаружено не было. В 1985 году эксперименты Паско Ракика из Йельской медицинской школы показали, что в головном мозгу взрослых макак новые нейроны не образуются, и такая точка зрения сделалась общепринятой. Считалось, что сложная структура связей между нейронами, обеспечивающая высшие психические функции, требует постоянства клеточного состава мозга. За пластичность же мозга, позволяющую ему компенсировать повреждения, нанесенные травмой или болезнью, полагали ответственной избыточность количества нервных клеток в головном мозгу. Действительно, как показали исследования больных нейродегенеративными заболеваниями, видимые нарушения памяти и движений у них наступают только после того, как погибнет более 90% клеток коры больших полушарий.

Такая консервативность клеточного состава головного мозга считалась присущей только приматам. У рыб, рептилий, певчих птиц было показано образование новых нейронов в мозгу взрослых животных. И только самый сложный среди млекопитающих мозг приматов считался сформированным с момента рождения. Изменили эту точку зрения исследования Элизабет Гулд, нейробиолога из Принстонского университета. Еще в конце восьмидесятых годов она обнаружила признаки появления новых нейронов в гиппокампе взрослых крыс, но, поскольку этот результат противоречил общепринятой точке зрения, ее публикации не привлекли большого внимания. Результаты же, полученные ею в 1997 году, игнорировать было уже гораздо труднее. Элизабет Гулд с сотрудниками показала, что в мозгу взрослых мармозеток — длиннохвостых обезьян Нового Света — происходит образование новых нейронов. Происходит именно в гиппокампе, там же, где у мышей, крыс и морских свинок. Причем в условиях стресса процесс образования новых нейронов останавливается.

Осталось выяснить, как же все-таки обстоит дело с человеком. Здесь возникает большая методическая трудность — человека нельзя содержать в определенных условиях среды, а самое главное — регистрировать появление в его мозгу новых нейронов стандартными методами. Новые нейроны в мозгу мышей обнаружить гораздо проще — надо ввести мыши радиоактивный предшественник какого-нибудь нуклеотида, обычно используется аналог тимидина бромодеоксиуридин, и через некоторое время мышь забить, приготовить гистологический срез мозга и посмотреть — есть ли в определенных районах этого мозга радиоактивная метка. Если метка есть — значит, клетка, содержащая ее, как раз делилась в то время, когда метку ввели в организм животного. И значит, содержащая клетку метка — новая, недавно образованная.

Фред Гейг из университета Ла Джола в Калифорнии сумел обойти эти трудности, воспользовавшись неожиданным способом. Бромдеоксиуридин также используется в лечении раковых больных для того, чтобы установить, делятся ли клетки опухоли. Фреду Гейгу удалось получить срезы гиппокампа пяти больных чешуйчатой карциномой, умерших от 16-го до 781-го дня после однократной внутривенной инъекции бромдеоксиуридина. На всех пяти препаратах метка была найдена в гранулярном слое зубчатой фасции гиппокампа. Было доказано, что — да, образовавшиеся клетки — нейроны.

Ну хорошо, в гиппокампе взрослого животного и человека образуются новые нейроны. Откуда же они берутся, если взрослый нейрон не размножается? Видимо, они происходят из каких-то клеток-предшественников, расположенных неподалеку. В гиппокампе есть такие клетки, так называемые покоящиеся нейральные предшественники (quescent neural progenitors). Они делятся, и дочерние клетки дают начало другой популяции клеток — размножающихся нейральных предшественников (amplifying neural progenitors). Оба эти типа клеток имеют собирательное название — нервные стволовые клетки. Они дают начало всем типам клеток в головном мозгу — и нейронам, и клеткам глии — астроцитам и олигодендроцитам. Зрелый нейрон получается из стволовой клетки не сразу — сначала он проходит стадии нейробласта, потом незрелого нейрона, и наконец — зрелого, имеющего разветвленную сеть клеточных контактов.

На нейрогенез во взрослом мозгу влияет множество факторов окружающей среды. В условиях стресса образование новых нейронов подавляется, угнетают нейрогенез гормоны стресса — глюкокортикоиды. Если животному, находящемуся в состоянии стресса, удалить надпочечники — главные производители глюкокортикоидов, нейрогенез в гиппокампе происходит нормально. И наоборот, введение кортикоидов животному, на которое стрессовые факторы не действуют, вызывает у него угнетение образования новых нейронов.

Стресс у лабораторных животных изучают самыми разными способами. Для молодых крысят стрессовый фактор — это запах неродственного самца, поскольку в естественных условиях самец крысы поедает чужих ему детенышей. Можно также содержать животных в условиях скученности, лишать их сна. Для нейрогенеза не важно, что именно вызвало стресс, важно — повышение уровня глюкокортикоидов. В течение жизни уровень этих гормонов меняется. У молодых крыс даже при сильном стрессе уровень гормона повышается мало, тогда как у старых — наоборот, даже незначительное ухудшение условий провоцирует подъем уровня глюкокортикоидов. И нейрогенез в гиппокампе у молодых крыс идет гораздо лучше, чем у старых — вот и физиологическое обоснование юношеского бесстрашия и хорошей обучаемости.

Такая связь нейрогенеза с условиями жизни животного заставляет предположить наличие какой-то физиологической роли у вновь образующихся нейронов. В условиях лаборатории, при содержании в бедной стимулами окружающей среде, большинство вновь образовавшихся нейронов погибает. И наоборот, в дикой природе или в клетках с обогащенной внутренней средой — с игрушками, лабиринтами, не всегда доступной пищей — вновь образовавшиеся нейроны живут долго. У самок крыс на нейрогенез влияет и гормональный фон, в фазе течки (эструса) образование новых нейронов усиливается. Такая зависимость может иметь физиологический смысл — вслед за эструсом в природе наступает беременность, а затем и выкармливание потомства, которому понадобится больше пищи. Новые нейроны помогут лучше ориентироваться в пространстве, лучше соображать, а значит, лучше питаться.

Если перейти от крыс к человеку, можно вспомнить данные о большой роли гиппокампа в формировании кратковременной памяти. Гиппокамп уменьшается при синдроме Корсакова, при болезни Альцгеймера — оба эти заболевания характеризуются разрушением кратковременной памяти. Точно такой же эффект наблюдается при депрессии — у лиц, страдающих глубокой депрессией, гиппокамп уменьшен.

Естественно, возникла мысль — посмотреть, действуют ли на нейрогенез в гиппокампе препараты, применяемые для борьбы с депрессией. Оказалось, что знаменитый антидепрессант флуоксетин (его коммерческое название «прозак») увеличивает нейрогенез в гиппокампе подопытных животных. Причем такой эффект он оказывает только на гиппокамп, другая область мозга, где также происходит нейрогенез — субвентрикулярная область, на прозак не реагирует. Возникает вопрос: на какой стадии дифференцировки нейрона прозак увеличивает нейрогенез? Чего становится больше — нейральных стволовых клеток или предшественников нейронов?

Ответить на эти вопросы помогли трансгенные линии мышей. Американские ученые из лаборатории Григория Ениколопова в Колд Спринг Харбор создали несколько линий мышей, у которых молекулы, характеризующие определенные клеточные линии, были соединены с зеленым светящимся белком. У одной линии зеленым светом на срезах мозга светились покоящиеся предшественники нейронов, у другой — размножающиеся. Оказалось, что прозак действует именно на размножающихся предшественников, заставляя их поделиться большее число раз, прежде чем встать на путь превращения в нейроны. Этим и объясняется длительный промежуток времени между началом приема прозака и улучшением состояния больного — должно пройти время, достаточное для созревания нейронов.

И все-таки хотелось бы посмотреть, как действует прозак именно на человека. Мышиные методики здесь не годятся, делать трансгенных людей и вгонять в депрессию никто не разрешит. Нужно искать другой путь. На помощь пришла магнитно-резонансная томография. Она позволяет увидеть отдельные работающие нейроны и в последнее время широко применяется в исследованиях человеческого мозга и поведения. Видеть активно работающие нейроны с ее помощью можно, но магнитно-резонансная томография не дает ответа на вопрос — что это за клетки, как давно они образовались. Здесь может помочь другой способ визуализации процессов в живых тканях — протонная магнитнорезонансная спектроскопия. Она позволяет идентифицировать отдельные молекулы, характерные для разных клеток. Клетки — нейральные предшественники несут на своей поверхности особый белок нестин, служащий биомаркером стволовых клеток. В живом человеческом мозгу уровень сигнала, подаваемого на прибор мечеными клетками, низок, и стандартные методы анализа не позволяют отличить значимые величины от шума. Новый метод анализа изображений — сингулярное разложение сигнала — позволил обойти эту трудность. Оказалось, что в живом человеческом мозгу хорошо распознаются клетки, содержащие белок нестин, то есть стволовые. И расположены они именно там, где и должны быть — в зубчатой фасции гиппокампа. Мало того, точно так же, как у стареющих крыс, у людей число размножающихся нейральных предшественников уменьшается с возрастом.

Новая методика открывает грандиозные возможности. Можно наконец установить, каков механизм действия конкретного антидепрессанта на конкретного человека. Выяснить, связано ли ухудшение памяти со стрессом. В руках врачей оказывается инструмент, позволяющий прямо контролировать ход лечения депрессии, как градусник — ход лечения простуды. И конечно, это грандиозный исследовательский инструмент. С его помощью в недалеком будущем можно будет наконец ответить на вопрос — где еще в мозгу есть размножающиеся предшественники нервных клеток.