Нейроапрель 2023. Нейронауки в Nature Neuroscience

neuronovosti — 17.09.2023

И снова с вами наша рубрика нейрообзоров. В этом выпуске вы узнаете о новых ролях астроцитов и олигодендроцитов, о боли, восприятии приятного и неприятного, построении визуальных панорам, еще одной новой инвазивной технологии для длительного отслеживания активности нейронов мозга, а также о некоторых других фактах из «жизни» мозга.

Заболевания нервной системы

На пути к разработке терапии эпилепсии

У трети пациентов, страдающих эпилепсией, болезнь переходит в устойчивую к лекарствам форму, и вариантов для лечения остается не так много. Помимо гибели нейронов в эпилептогенном очаге также образуются глиальные рубцы, которые состоят из реактивных астроцитов. Эти клетки обнаруживаются также при болезни Альцгеймера, Паркинсона и при рассеянном склерозе. Но несмотря на частоту встречаемости реактивных астроцитов в разных патологических состояниях их молекулярные характеристики и функции остаются недостаточно изученными.

Исследователи из Нанкинского университета (Китай) показали, что у пациентов с височной эпилепсией из-за накопления липидов астроциты перерождаются в новую патологическую форму с повышенной экспрессией аполипротеина (APOE) – белка, связывающего липиды и образующего липопротеины. Подавление экспрессии генов APOE прекращало образование таких астроцитов и убирало судорожную активность у мышей с эпилепсией. Предполагается, что вмешательство в транспорт и метаболизм липидов для того, чтобы предотвратить образование этой патологической формы липидов, может стать новым терапевтическим подходом к височной эпилепсии, устойчивой к лекарствам.

Chen, ZP., Wang, S., Zhao, X. et al. Lipid-accumulated reactive astrocytes promote disease progression in epilepsy. https://doi.org/10.1038/s41593-023-01288-6

Как олигодендроциты реагируют на демиелинизацию

При нейродегенеративных заболеваниях и старении происходит истончение миелиновой оболочки нейронов, которая в головном мозге создается олигодендроцитами. При таком происшествии предшественники этих глиальных клеток превращаются непосредственно в олигодендроциты, которые стараются заново миелинизировать аксон. Сейчас до конца не известно, как эти циклы дегенерации и восстановления происходят на клеточном уровне in vivo, и также не понятна клеточная динамика и пространственно-временные реакции клеток-предшественниц, реагирующих на демиелинизацию. Чтобы изучить эти вопросы, исследователи из Дартмутского колледжа (США) разработали модель невоспалительной демиелинизации нейронов головного мозга, которая не задевает соседние клетки. Авторы работы показали, что демиелинизация запускает быстрые формы синхронной ремиелинизации аксонов, которая осуществляется олигодендроцитами, которые «выросли» из подмножества морфологически различных, сильно разветвленных предшественников. Притом наиболее быстро и успешно это происходит у клеток с более полным покрытием миелином. Кроме того, эти параметры зависят от возраста организма, поскольку в старости олигодендрогенез отсутствует.

Chapman, T.W., Olveda, G.E., Bame, X. et al. Oligodendrocyte death initiates synchronous remyelination to restore cortical myelin patterns in mice. https://doi.org/10.1038/s41593-023-01271-1

Терапия светом не спасает от болезни Альцгеймера

Методы неинвазивной терапии заболеваний нервной системы, безусловно, привлекают к себе большой интерес, так как предполагается, что они могут быть Ранние результаты показали, что сенсорная стимуляция с определенной частотой, к примеру, снижала уровень бета-амилоида в мышиной модели болезни Альгеймера или предотвращала отсроченную нейродегенерацию пирамидных нейронов гиппокампа при транзиторной ишемии переднего мозга.

Исследователи из Нью-Йоркского университета решили проверить, действительно ли хроническая стимуляция светом с частотой 40 Гц может быть потенциальным терапевтическим методом терапии болезни Альцгеймера. Их данные показали, что при таких условиях снижения уровня бета-амилоида не происходит (возможно, из-за большой вариабельности патологии болезни), и предыдущие исследования не воспроизводятся.

Soula, M., Martín-Ávila, A., Zhang, Y. et al. Forty-hertz light stimulation does not entrain native gamma oscillations in Alzheimer’s disease model mice. https://doi.org/10.1038/s41593-023-01270-2

Разница в симптомах расстройств аутистического спектра связаны с молекулярными механизмами и функциональными сетями

У людей с расстройством аутистического спектра (РАС) по-разному проявляется определенная его форма, и разные патофизиологические процессы могут лежать в его основе. Такая фенотипическая гетерогенность становится основным препятствием для установления необходимых терапевтических подходов к лечению и открытию новых. Механизмы развития такой гетерогенности изучены недостаточно.

Проанализировав два больших набора данных фМРТ в состоянии покоя, исследователи из Колледжа Уайл Корнелл Медикал (США) определили три скрытых измерения функциональных связей мозга, которые предсказывали индивидуальные различия в поведении людей с РАС. Эти три измерения описывали модели функциональной связи, которые предсказывали индивидуальные различия в: 1) вербальных способностях, 2) социальных аффектах, 3) повторяющемся поведении и ограничении интересов. Эти измерения позволили выделить 4 воспроизводимые подгруппы РАС с отчетливыми изменениями функциональных связей в сетях, связанных с РАС, и профилями клинических симптомов. Внутри каждой подгруппы функциональные связи, связанные с РАС, объясняются региональными различиями в экспрессии различных наборов генов, связанных с РАС.

Buch, A.M., Vértes, P.E., Seidlitz, J. et al. Molecular and network-level mechanisms explaining individual differences in autism spectrum disorder. https://doi.org/10.1038/s41593-023-01259-x

Нейронные сети

Астроциты регулируют состояние коры головного мозга

Существуют разнообразные паттерны электрической активности в коре головного мозга. Они могут проявляться в форме синхронизации, что наблюдается в состоянии покоя, и десинхронизации, проявляющейся в период повышенной физической или психологической активности. Синхронизированные корковые состояния демонстрируют более высокие низкочастотные (НЧ) колебания и пониженные высокочастотные (ВЧ) колебания, чем десинхронизированные состояния. В то время как ВЧ-колебания важны для обработки, поступающей информации, НЧ-колебания в состоянии бодрствования охарактеризованы хуже. Также не вполне ясен общий механизм, регулирующий ресинхронизацию коры.

Исследователи из Калифорнийского университета, используя визуализацию in vivo и электрофизиологию зрительной коры головного мозга мышей, описали критическую роль кортикальных астроцитов в ресинхронизации цепей. Они показали, что астроциты через кальций сигнализируют нейронам о том, что активность последних снижается, а синхронность коры двух полушарий увеличивается. Также исследователи обнаружили парадоксальную синхронизирующую реакцию на стимуляцию альфа-1А адренергического рецептора (Adra1a): удаление рецептора усиливает активность нейронов, вызванную возбуждением, одновременно нарушая кортикальную синхронность, связанную с возбуждением.

Reitman, M.E., Tse, V., Mi, X. et al. Norepinephrine links astrocytic activity to regulation of cortical state. https://doi.org/10.1038/s41593-023-01284-w

Обработка сенсорной информации

Какие клетки продолговатого мозга регулируют ощущение боли

Считается, что коррекция болевых ощущений в нервной системе происходит в основном благодаря голубому пятну и вентромедиальному ядру продолговатого мозга, которые выделяют норадреналин и серотонин. Эти нейромедиаторы модулируют активность ноцицептивных спинальных цепей. Также, вероятно, в этом процессе участвует вентролатеральная область продолговатого мозга. По сей день не установлено, какие молекулярные цепи и нейроны изменяют ноцицептивные сигналы в ответ на стрессор.

Исследователи из Университета Бетесды (США) обнаружили катехоламинергические нейроны в каудальном вентролатеральном мозговом слое мышей, которые активируются вредными стимулами. При активации эти нейроны производят двустороннее прямое торможение, которое ослабляет ноцицептивные реакции через путь, включающий голубое пятно и норадреналин в спинном мозге. Этот путь достаточен для ослабления тепловой аллодинии, вызванной травмой.

Gu, X., Zhang, Y.Z., O’Malley, J.J. et al. Neurons in the caudal ventrolateral medulla mediate descending pain control. https://doi.org/10.1038/s41593-023-01268-w

Панорамная визуальная статистика и как она организовывает рецептивные поля сетчатки

Гипотеза эффективного кодирования описывает принципы сенсорного кодирования у разных видов и сенсорных систем. Концептуальная основа гипотезы состоит в предположении о том, что сенсорные нейроны используют статистическую структуру естественных стимулов для минимизации метаболических затрат на передачу информации. Основываясь на этой гипотезе, исследователи из Австрийского института науки и технологий, используя мышь в качестве модельного организма, показали, что рецептивные поля ганглиозных клеток сетчатки меняют свою форму вдоль дорсовентральной оси сетчатки с заметной объемной асимметрией на зрительном горизонте. Таким образом, в соответствии с принципами эффективного кодирования панорамная структура природных сцен используется сетчаткой в разных пространствах и типах клеток.

Gupta, D., Młynarski, W., Sumser, A. et al. Panoramic visual statistics shape retina-wide organization of receptive fields. https://doi.org/10.1038/s41593-023-01280-0

Глубокие нейронные сети помогают в изучении распознавания звуков мозгом

Распознавание звуков подразумевает преобразование мозгом входящих сенсорных сигналов в семантические представления. Современные знания о том, как именно мозг это делает, изучены довольно поверхностно. За прошедшие годы было предложено несколько вычислительных моделей, которые можно использовать для описания звуковых представлений на разных этапах цепочки акусто-семантических преобразований.

Исследователи из Университета Экс-Марселя (Франция) сравнили несколько моделей реакций поведенческих и слуховой коры, визуализированных на фМРТ на естественные звуки. Они обнаружили, что оба типа реакций лучше предсказываются глубокими нейронными сетями, чем акустическими и семантическими. Глубокие нейронные сети способны уловить прогнозирующие акустические и семантические представления в поведении и в мозге. По словам авторов, их результаты показывают, что общие представления о звуке служат поведенческим и нейронным реакциям на естественные звуки.

Giordano, B.L., Esposito, M., Valente, G. et al. Intermediate acoustic-to-semantic representations link behavioral and neural responses to natural sounds. https://doi.org/10.1038/s41593-023-01285-9

Принятие решений

Активность клеток гиппокампа предсказывает поведение

Человек живет в условиях постоянно меняющейся среды и вынужден всегда адаптироваться под них. Для этого, как предполагается, человеческий мозг может формировать когнитивные карты реляционных знаний, то есть способен обобщать пространственно и перцептивно сходные стимулы и предсказывать результаты действий, которые достоверно не известны из-за отсутствия опыта. Однако, как выбрать подходящую карту в ситуациях, когда один стимул встроен в несколько реляционных структур? Исследователи из Института Макса Планка (Германия) с помощью методов компьютерного моделирования, функциональной МРТ и виртуальной реальности показали, что как пространственные, так и прогнозирующие когнитивные карты, которые строит гиппокамп, влияют на обобщение в задаче выбора с вознаграждением, где пространственное местоположение определяет величину вознаграждения.

Garvert, M.M., Saanum, T., Schulz, E. et al. Hippocampal spatio-predictive cognitive maps adaptively guide reward generalization. https://doi.org/10.1038/s41593-023-01283-x

Степень активности при нейронном воспроизведении путей с вознаграждением и наказанием предсказывает решение человека

Процесс планирования, как предполагается, связан с процессом нейронного воспроизведения, осуществляемого клетками места гиппокампа. Однако остается неясным, существует ли у людей некая асимметрия между воспроизведением путей с вознаграждением и путей с аверсивами во время планирования.

Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи из Королевского колледжа Лондона использовали метод магнитоэнцефалографии в эксперименте с людьми, когда последние планировали либо приблизиться, либо избежать неопределенной среды, содержащей пути, ведущие к вознаграждению или наказанию. Они установили, что воспроизведение полезных путей отличается большей активностью по сравнению с неприятными путями до принятия решения об избегании, и оно же ослабляется перед решением приблизиться. Склонность к повторению предполагаемых путей наказания предсказывала иррациональные решения о приближении к более рискованной среде, и этот эффект был более выражен у участников с более высокой тревожностью.

McFadyen, J., Liu, Y. & Dolan, R.J. Differential replay of reward and punishment paths predicts approach and avoidance. https://doi.org/10.1038/s41593-023-01287-7

Развитие нервной системы

Пространственно-временные изменения в развитии внутренней активности коры происходят с возрастом

Выяснение закономерностей развития корковой пластичности человека значимо для понимания здорового развития мозга, окон уязвимости и возможностей развития. Исследования развития нервной системы на животных показали, что записи внутренней корковой активности изменяются от синхронизированной и высокоамплитудной к разреженной и низкоамплитудной по мере созревания коры и снижения пластичности. Это изменение внутренней активности связано с возрастным увеличением тормозной нейротрансмиссии и внутрикортикальной миелинизации – двух процессов, регулирующих пластичность и улучшающих динамику корковых цепей. Исследователи из Университета Пенсильвании (США) с помощью фМРТ в состоянии покоя на более чем тысяче человек в возрасте от 8 до 23 лет подтвердили, что предыдущие результаты характерны и для человека.

Sydnor, V.J., Larsen, B., Seidlitz, J. et al. Intrinsic activity development unfolds along a sensorimotor–association cortical axis in youth. https://doi.org/10.1038/s41593-023-01282-y

Технические решения

Новая инвазивная технология для длительного отслеживания активности нейронов мозга (пока только для мыши)

Для нейробиологических исследований зачастую очень важно сохранять возможность как можно более длительной регистрации электрической активности нейронов в определенной области. Имеющиеся на данный момент технические решения этого делать этого не позволяют. Исследователи из Гарвардского университета (США) представили свой вариант имплантируемого устройства с открытой развернутой сетчатой структурой, которая способна делать записи электрической активности нейронов с нескольких областей мозга мыши с одних и тех же нейронов, и при этом не вызывая реакции отторжения. Технология представляет собой сетчатую электронику, интегрированную с ультратонкими съемными полимерными шаттлами, уникальными полимерными якорями и водовыделяемыми структурами. Открытая сетка может образовывать бесшовно переплетенные структуры с нейронными сетями и предотвращать дрейф между электродами. Технология помогает фиксировать связанную со старением эволюцию активности отдельных нейронов.

Текст: Анна Удоратина

Оставить комментарий

Популярные посты:

galba

Где искать ответы на самые популярные вопросы о путешествиях

magman67

Исторический Таиланд – Глубинка

turmalin_morion

"Убит Михаил Шатский" - что известно о киллере ГУР. Повторился сценарий

useless_faq

Почему все блондинки рыхлые?

padolski

Искусство как источник здоровья и благополучия: мой личный опыт и научное

matsam

Вечернее

kukmor

Амина в этом году лично украшала елку.

padolski

Игриво

kiowa_mike

Смотрит свысока, из развилки, на нас кошка от noraneko_nyankichi

• Ранее
• Архив