Ученые считают, что раскрыли механизм, позволяющий мозгу самостоятельно восстанавливать утраченное зрение

Черепно-мозговые травмы часто приводят к повреждению проводящих путей головного мозга — аксонов. Аксоны представляют собой длинные отростки нервных клеток, по которым передаются электрические сигналы от одного отдела мозга к другому. При падениях, ударах или авариях эти отростки подвергаются сильному растяжению и разрыву. В медицине это состояние называют диффузным повреждением аксонов.

В течение долгого времени в нейробиологии господствовало убеждение, что центральная нервная система взрослых млекопитающих практически не способна к восстановлению. Считалось, что если нервный путь разрушен, то восстановить передачу сигналов по нему невозможно, поскольку зрелые нейроны не могут вырастить новые длинные отростки взамен утерянных.

Однако новое исследование, проведенное учеными из Университета Джонса Хопкинса, показывает, что мозг обладает скрытым резервом для самовосстановления. На примере зрительной системы мышей исследователи подробно описали, как уцелевшие после травмы клетки берут на себя функции погибших, а также объяснили, почему этот процесс происходит с разной скоростью у самцов и самок.

Суть процесса: компенсаторное ветвление уцелевших волокон

В качестве объекта исследования ученые выбрали зрительный тракт. Его анатомия хорошо изучена и четко разделена на зоны: сетчатка глаза, зрительный нерв и принимающие центры в головном мозге. Главным таким центром является верхнее двухолмие — отдел мозга, который отвечает за первичную обработку зрительной информации и управление быстрыми движениями глаз.

Биологи применили к подопытным животным метод дозированного механического воздействия, который имитирует закрытую черепно-мозговую травму у человека. В результате этой травмы зрительный нерв потерял около 50% своих проводящих волокон. Соответственно, в верхнем двухолмии наполовину снизилась плотность нервных окончаний (терминалей), передающих сигналы от глаза к мозгу.

Спустя некоторое время исследователи зафиксировали компенсаторный процесс, который в научной литературе называют гомотипическим коллатеральным спрутингом. Это явление можно описать как ветвление уцелевших нервных отростков.

Поскольку поврежденные нейроны погибли и не могли регенерировать, уцелевшие клетки сетчатки начали отращивать новые боковые ответвления от своих неповрежденных аксонов. Эти новые ветви направились к клеткам мозга, которые остались без связи из-за гибели соседних волокон.

Математический анализ показал, что зона охвата каждого выжившего аксона увеличилась примерно в два раза. За счет этого плотность нервных контактов в верхнем двухолмии полностью вернулась к показателям, которые наблюдались до травмы.

Как исследователи доказали работу новых связей

Появление новых ответвлений у нервных клеток само по себе не означает, что они способны передавать информацию. Чтобы доказать, что новые контакты являются полноценными и рабочими, ученые провели три последовательных эксперимента.

1. Проверка физического контакта (анатомический тест)

Для этого теста исследователи использовали метод молекулярной трассировки. В сетчатку глаза ввели специальное вещество-маркер — белок WGA, соединенный со светящимся красным пигментом. Этот белок обладает уникальным свойством: он может перемещаться внутри нервной клетки, доходить до ее окончания и переходить через точку контакта (синапс) в следующую клетку. Наличие светящегося маркера внутри нейронов верхнего двухолмия доказало, что новые ответвления уцелевших аксонов действительно образовали физические контакты с клетками головного мозга.

2. Проверка прохождения сигнала (тест на световой раздражитель)

Ученым нужно было понять, реагирует ли мозг на сигналы, идущие по новым путям. Для этого мышей сначала содержали в полной темноте в течение 60 часов, чтобы успокоить зрительную систему. Затем животных на один час перенесли в интенсивно освещенное пространство с контрастными черно-белыми полосами.

После этого биологи исследовали срезы мозга на наличие белка c-Fos. Этот белок вырабатывается в ядрах нейронов только в момент их активного возбуждения. У мышей после травмы уровень c-Fos в верхнем двухолмии сначала упал на 50-80%, но по мере ветвления уцелевших аксонов реакция на свет восстановилась до исходного уровня. Это подтвердило, что новые каналы связи успешно проводят сигналы от сетчатки глаза в мозг.

3. Проверка качества зрения (электрофизиологический тест)

Для окончательного подтверждения ученые измерили зрительные вызванные потенциалы (pVEP). Это метод регистрации электрической активности зрительной коры головного мозга с помощью микроэлектродов в ответ на меняющиеся изображения полос разной ширины и контрастности. Измерения показали, что после травмы у мышей резко падает способность различать мелкие детали и объекты с низкой контрастностью. Однако по мере роста новых ответвлений эти показатели начали улучшаться, что свидетельствовало о восстановлении базовых зрительных функций.

Различия в восстановлении у самцов и самок

Одним из наиболее важных результатов работы стало обнаружение полового диморфизма — существенных различий в скорости и качестве восстановления между самцами и самками.

В первые дни после нанесения травмы степень повреждения зрительного нерва у животных обоих полов была одинаковой: и самцы, и самки потеряли равное количество нервных волокон. Однако последующий процесс реабилитации пошел по разным сценариям.

• У самцов плотность нервных контактов в мозге и показатели электрической активности зрительной коры практически полностью вернулись к норме уже через 14 дней после травмы.
• У самок процесс восстановления сильно затянулся. На 14-й день у них все еще сохранялся выраженный дефицит контактов. Анатомические показатели приблизились к норме только к 28-му дню. Функциональные тесты на контрастную чувствительность показывали отклонения от нормы даже через 56 дней (около двух месяцев) после травмы.

Кроме того, ученые отдельно проанализировали группу наиболее активных нейронов верхнего двухолмия (верхние 10% клеток по уровню возбудимости). Эти клетки играют ключевую роль в быстрой и точной обработке сложной зрительной информации. У самцов активность этой группы восстановилась полностью, тогда как у самок показатели этих нейронов оставались сниженными на протяжении всего периода наблюдений.

Этот факт объясняет клинические данные, полученные при лечении людей. Статистика показывает, что женщины после сотрясения мозга часто страдают от более длительных и выраженных симптомов (головные боли, нарушение концентрации внимания, проблемы со зрением), чем мужчины. Ранее это списывали на психологические особенности или разницу в силе мышц шеи. Теперь исследователи получили прямое доказательство того, что медленное восстановление у самок имеет под собой конкретную биологическую основу, связанную с механизмами пластичности клеток.

Роль фермента SARM1 и независимость от процессов разрушения

Когда аксон получает необратимое повреждение, запускается цепочка химических реакций, приводящая к его распаду. Этот процесс контролируется специальным ферментом SARM1, который работает как переключатель для самоуничтожения травмированного волокна.

В нейробиологии существовала гипотеза, согласно которой новые нервные окончания не могут расти до тех пор, пока пространство не будет полностью очищено от остатков погибших волокон. Чтобы проверить это предположение, ученые использовали генетически модифицированных мышей, у которых был отключен ген Sarm1. У таких животных поврежденные аксоны не распадались и оставались в тканях неделями.

Эксперимент показал, что отсутствие дегенерации и утилизации погибших волокон никак не повлияло на рост новых связей. У мышей без гена Sarm1 компенсаторное ветвление уцелевших аксонов происходило с той же скоростью и в том же объеме, что и у обычных животных.

Это открытие имеет важное теоретическое значение. Оно доказывает, что рост новых ответвлений — это не пассивный процесс, при котором волокна просто занимают освободившееся физическое пространство. Ветвление аксонов регулируется активными внутренними генетическими программами выживших клеток, которые запускаются в ответ на потерю контактов с соседними нейронами.

Значение исследования для медицины

Работа исследователей меняет подход к пониманию реабилитации после черепно-мозговых травм. Долгое время основные усилия ученых были направлены на то, чтобы заставить поврежденные нейроны расти заново, либо на попытки пересадить в зону повреждения новые клетки. Оба этих направления сталкиваются с огромными трудностями, так как вырастить длинный аксон во взрослом мозге крайне сложно из-за наличия химических барьеров, препятствующих росту.

Новые данные показывают, что более перспективным направлением может стать стимуляция естественного процесса компенсаторного ветвления уцелевших клеток. Если ученым удастся определить конкретные белки и сигнальные пути, которые заставляют выжившие аксоны ветвиться, это позволит создать препараты, ускоряющие восстановление мозга после травм. Кроме того, понимание причин медленного восстановления у самок поможет разработать более эффективные и персонализированные протоколы лечения для пациентов разного пола.

Источник:biorxiv