Нейробиологи обнаружили нейронные контуры, которые контролируют гибернационное поведение у мышей

Мечта о приостановленной анимации давно покорила человеческое воображение, отраженное в бесчисленных произведениях мифологии и художественной литературы, от Короля Артура и Спящей красавицы до Капитана Америки и Хана Соло. Эффективно приостанавливая время для человека, состояние стазиса обещает восстановить смертельные травмы, продлить жизнь и позволить путешествовать к далеким звездам, по информации сайта forumssity.ru.

Хотя приостановленная анимация может показаться фантастикой, поразительно разнообразная жизнь уже достигла своей версии. Благодаря таким видам поведения, как зимняя спячка, животные, такие как медведи, лягушки и колибри, могут пережить суровые зимы, засухи, нехватку продовольствия и другие экстремальные условия, по сути вступая в биологический стаз, где метаболизм, частота сердечных сокращений и дыхание замедляются до ползания и температура тела падает.

Теперь нейробиологи Гарвардской медицинской школы обнаружили популяцию нейронов в гипоталамусе, которая контролирует гибернационное поведение, или оцепенение, у мышей, впервые выявляя нейронные цепи, которые регулируют это состояние.

Сообщая в журнале Nature 11 июня, команда продемонстрировала, что при стимуляции этих нейронов мыши попадают в оцепенение и могут оставаться в таком состоянии в течение нескольких дней. Когда активность этих нейронов блокируется, естественный оцепенение нарушается.

Другое исследование, опубликованное одновременно в Nature исследователями из Университета Цукуба в Японии, также выявило сходную популяцию нейронов в гипоталамусе.

Благодаря лучшему пониманию этих процессов на мышах и других моделях на животных, авторы предполагают возможность в один прекрасный день работать над индукцией оцепенения у людей - достижение, которое может иметь широкий спектр применений, таких как предотвращение травм головного мозга во время инсульта, создание новых методов лечения. для обмена веществ или даже помочь НАСА отправить людей на Марс.

«Воображение иссякает, когда мы думаем о возможном состоянии гибернации у людей. Можем ли мы действительно продлить продолжительность жизни? Это способ отправить людей на Марс?» сказал соавтор исследования Синиса Хрватин, инструктор по нейробиологии в Блаватник Института в HMS.

«Чтобы ответить на эти вопросы, мы должны сначала изучить фундаментальную биологию оцепенения и гибернации у животных», - сказал Хрватин. «Мы и другие занимаемся этим - это не научная фантастика».

Чтобы уменьшить расход энергии во времена дефицита, многие животные входят в состояние оцепенения. Спячка является расширенной сезонной формой этого. В отличие от сна, оцепенение связано с системными физиологическими изменениями, особенно значительными падениями температуры тела и подавлением метаболической активности. Биологические механизмы, лежащие в основе оцепенения и гибернации, хотя и распространены в природе, до сих пор плохо изучены.

Роль мозга, в частности, осталась в значительной степени неизвестной - вопрос, которым руководствовались исследователи Хрватин и его коллеги, в том числе соавтор Senmiao Sun, аспирант Гарвардской программы по неврологии, и старший исследователь Майкл Гринберг , профессор Натана Марша Пьюзи и заведующий кафедрой нейробиологии в Блаватникском институте при ГМС.

Нейронная ловушка

Исследователи изучали мышей, которые не впадают в спячку, но испытывают приступы оцепенения, когда пищи мало, а температура низкая. При содержании в 22 градусах C (72 градуса по Фаренгейту) у мышей натощак наблюдалось резкое падение температуры тела и значительное снижение скорости метаболизма и движения. Для сравнения, сытые мыши сохранили нормальную температуру тела.

Когда мыши начали впадать в оцепенение, команда сосредоточилась на гене Fos, который ранее был продемонстрирован лабораторией Гринберга в экспрессии в активных нейронах. Маркировка белкового продукта гена Fos позволила им определить, какие нейроны активируются при переходе в оцепенение по всему мозгу.

Этот подход выявил широкую активность нейронов, в том числе в областях мозга, которые регулируют голод, питание, температуру тела и многие другие функции. Чтобы увидеть, была ли активность мозга достаточной для запуска оцепенения, команда объединила два метода - FosTRAP и хемогенетику - чтобы генетически пометить нейроны, которые активны во время оцепенения. Затем эти нейроны можно было бы повторно стимулировать путем добавления химического соединения.

Эксперименты подтвердили, что оцепенение действительно могло быть вызвано - даже у сытых мышей - путем повторной стимуляции нейронов таким образом после того, как мыши оправились от первоначального приступа бездействия.

Однако, поскольку этот подход маркировал нейроны по всему мозгу, исследователи работали над тем, чтобы сузить область, которая контролирует оцепенение. Для этого они разработали инструмент на основе вирусов, который использовался для селективной активации нейронов только в месте инъекции.

Сосредоточившись на гипоталамусе, области мозга, отвечающей за регулирование температуры тела, голода, жажды, секреции гормонов и других функций, исследователи провели серию кропотливых экспериментов. Они систематически вводили 54 животным небольшие количества вируса, покрывающего 226 различных областей гипоталамуса, затем активировали нейроны только в инъецированных областях и искали признаки оцепенения.

Нейроны в одном конкретном регионе гипоталамуса, известном как avMLPA, вызывают торпор при активации. Стимуляция нейронов в других областях гипоталамуса не имела эффекта.

«Когда первоначальный эксперимент удался, мы знали, что у нас что-то есть», - сказал Гринберг. «Мы получили контроль над оцепенением у этих мышей с помощью FosTRAP, что позволило нам затем идентифицировать подмножество клеток, участвующих в процессе. Это элегантная демонстрация того, как Fos можно использовать для изучения нейрональной активности и поведенческих состояний в мозге». "

Стоящая цель

Команда также проанализировала нейроны, которые занимают область, используя одноклеточное РНК-секвенирование, чтобы посмотреть почти на 50000 отдельных клеток, представляющих 36 различных типов клеток, в конечном итоге выявляя подмножество торпор-управляющих нейронов, отмеченных геном транспортера нейротрансмиттера Vglut2 и пептидом Adcyap1.

Стимуляция только этих нейронов была достаточной для того, чтобы вызвать быстрое снижение температуры тела и двигательной активности - ключевых признаков оцепенения. Чтобы подтвердить, что эти нейроны являются критическими для оцепенения, исследователи использовали отдельный инструмент на основе вирусов, чтобы заставить замолчать активность нейронов avMLPA-Vglut2. Это предотвратило попадание натощак мышей в естественный оцепенение и, в частности, нарушило связанное с этим снижение температуры тела. Напротив, молчание этих нейронов у сытых мышей не имело никакого эффекта.

«У теплокровных животных температура тела строго регулируется», - говорит Сун. Например, падение человека на пару градусов приводит к переохлаждению и может привести к летальному исходу. Однако оцепенение обходит это регулирование и позволяет резко упасть температуре тела. Изучение оцепенения у мышей помогает нам понять, как эта удивительная особенность кровавыми животными можно манипулировать через нервные процессы ".

Исследователи предупреждают, что их эксперименты не могут окончательно доказать, что один конкретный тип нейрона контролирует торпор, сложное поведение, которое, вероятно, включает в себя множество различных типов клеток. Однако, идентифицируя конкретную область мозга и подмножество нейронов, участвующих в процессе, ученые теперь имеют возможность приступить к попыткам лучше понять и контролировать состояние у мышей и других животных моделей, говорят авторы.

В настоящее время они изучают долговременное влияние оцепенения на мышей, роль других популяций нейронов и основные механизмы и пути, которые позволяют нейлонам avMLPA регулировать торпор.

«Наши открытия открывают двери для нового понимания того, что такое оцепенение и гибернация, и как они влияют на клетки, мозг и тело», - сказал Хрватин. «Теперь мы можем тщательно изучить, как животные входят и выходить из этих состояний, определить основную биологию и подумать о приложениях для людей. Это исследование представляет собой один из ключевых этапов этого путешествия».

Последствия того, что однажды способность вызывать оцепенение или зимнюю спячку у людей, если они когда-либо осознаются, очень велики.

«Слишком рано говорить о том, можем ли мы вызвать такое состояние у человека, но эта цель может стоить того», - сказал Гринберг. «Это может потенциально привести к пониманию приостановленной анимации, метаболического контроля и, возможно, увеличения продолжительности жизни. В частности, приостановленная анимация является общей темой в научной фантастике, и, возможно, наша способность пересечь звезды когда-нибудь будет зависеть от этого».

Среди дополнительных авторов: Орен Уилкокс, Хэнки Яо, Аврора Лавин-Питер, Марсело Чикконет, Елена Ассад, Микаэла Палмер, Сейдж Аронсон, Александр Бэнкс и Эрик Гриффит.

Исследование было поддержано Национальным институтом здоровья (R01 NS028829, R01 MH114081, R01 DK107717) и премией Уоррена Альперта за выдающиеся научные достижения.


Предыдущая статья
Следущая статья

Вернуться