Подростковый возраст – это определяющий этап не только для социального и физического роста, но и для развития мозга. В это время продолжают созревать высшие психические функции, такие как планирование, логическое мышление и принятие решений. Несмотря на это, у ученых до сих пор нет полного понимания того, как в этот критический период формируются сложные нейронные сети мозга.
В основе развития мозга лежат синапсы – функциональные соединения между нервными клетками, нейронами, которые позволяют информации циркулировать по всему мозгу. Десятилетиями исследователи считали, что в детстве количество синапсов неуклонно растет, а в подростковом возрасте, наоборот, сокращается. Эта идея легла в основу общепринятой теории о том, что чрезмерная «синаптическая стрижка» – процесс удаления слабых или неиспользуемых связей – может способствовать развитию психоневрологических расстройств. С этим механизмом часто связывали шизофрению, которая может проявляться в виде галлюцинаций, бреда и дезорганизованного мышления.
Недавно группа ученых из Университета Кюсю обнаружила доказательства, ставящие под сомнение эту устоявшуюся точку зрения. В исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, исследователи выяснили, что подростковый мозг не просто устраняет связи. Вместо этого он также создает новые, плотно упакованные кластеры синапсов в определенных частях нейронов именно на этом этапе развития.
«Мы не ставили себе цель изучать расстройства мозга, – говорит профессор Такеши Имаи с факультета медицинских наук Университета Кюсю. – После разработки в 2016 году инструмента для анализа синапсов с высоким разрешением мы из любопытства взглянули на кору головного мозга мыши. Помимо красоты нейронной структуры, мы с удивлением обнаружили ранее неизвестный очаг высокой плотности дендритных шипиков – крошечных выступов на дендритах, где формируются возбуждающие синапсы».
Кора головного мозга состоит из шести слоев, которые вместе образуют чрезвычайно сложные нейронные цепи. Имаи и его коллеги сосредоточились на нейронах пятого слоя, которые собирают информацию из множества источников и посылают сигналы наружу, являясь конечным звеном обработки информации в коре. Благодаря этой роли данные нейроны действуют как центральный узел управления обработкой информации в мозге. Для детального изучения этих клеток команда использовала разработанный ими реагент для просветления тканей SeeDB2 в сочетании с микроскопией сверхвысокого разрешения. Эта комбинация позволила исследователям впервые изучить прозрачную ткань мозга и нанести на карту дендритные шипики по всей длине нейронов пятого слоя.
Детальное картирование выявило неожиданную закономерность. Один конкретный участок дендрита – отростка нейрона – содержал необычно плотную концентрацию дендритных шипиков, образуя то, что исследователи назвали «горячей точкой» или очагом. Дальнейший анализ показал, что этот очаг не существует на ранних этапах жизни, а появляется именно в подростковом возрасте. Отслеживая распределение шипиков на разных стадиях развития, команда обнаружила, что у двухнедельных мышей шипики были распределены относительно равномерно. Однако в возрасте от трех до восьми недель плотность шипиков в одной области дендрита резко возросла, что со временем привело к образованию плотного синаптического очага.
«Эти результаты предполагают, что устоявшуюся гипотезу о „подростковой синаптической стрижке“ необходимо пересмотреть», – заявляет Имаи. Открытие также может помочь объяснить, как развиваются некоторые расстройства мозга. «Хотя синаптическая стрижка происходит по всей длине дендритов, в подростковом возрасте в определенных их частях также активно формируются новые синапсы. Нарушение этого процесса может быть ключевым фактором по крайней мере для некоторых типов шизофрении», – считает Рё Эгашира, первый автор исследования.
Чтобы проверить эту идею, исследователи изучили мышей с мутациями в генах, связанных с шизофренией. Раннее развитие протекало типично, с нормальной плотностью шипиков. Однако в подростковом возрасте формирование синапсов в «горячей точке» было значительно снижено, что мешало правильному развитию этого очага. Многие годы шизофрения рассматривалась в основном как состояние, вызванное чрезмерной потерей синапсов. Новые данные предполагают иную возможность – решающую роль могут играть проблемы с созданием новых связей в подростковом возрасте. Тем не менее, ученые подчеркивают, что их исследование проводилось только на мышах, и пока неясно, происходят ли те же процессы у людей.
«В будущем мы надеемся определить, какие области мозга формируют эти новые синаптические связи в подростковом возрасте, – говорит Имаи. – Это покажет нам, какие именно нейронные цепи строятся в этот период развития. Понимание того, как и когда образуются эти связи, может расширить наши знания как о развитии мозга, так и о механизмах, лежащих в основе психоневрологических расстройств».
