Ученые из Медицинской школы Университета Джона Хопкинса разработали уникальный метод, позволяющий «замораживать» нейроны мозга в момент их взаимодействия. Эта инновационная техника, получившая название «быстрая заморозка» (zap-and-freeze), впервые предоставила возможность детально наблюдать за мгновенными процессами передачи сигналов между клетками мозга в живых тканях как мышей, так и человека. До сих пор такие молниеносные взаимодействия оставались недоступными для прямого изучения.
Открытия, подробно описанные 24 ноября в научном журнале Neuron и поддержанные Национальными институтами здравоохранения США, могут стать прорывом в понимании скрытых биологических механизмов, лежащих в основе спорадической, то есть ненаследственной, формы болезни Паркинсона.
По данным Фонда болезни Паркинсона, спорадические случаи составляют подавляющее большинство всех диагнозов. Они характеризуются нарушениями в синапсах – микроскопических соединениях, через которые один нейрон передает электрический или химический сигнал другому. Доктор Сигеки Ватанабэ, доцент клеточной биологии из Медицинской школы Джона Хопкинса и ведущий автор исследования, отмечает, что из-за миниатюрных размеров и сверхбыстрой активности детальное изучение синапсов всегда было крайне сложной задачей.
«Мы надеемся, что новая техника визуализации динамики синаптических мембран в образцах живой мозговой ткани поможет нам уяснить сходства и различия между ненаследственными и наследственными формами этого состояния», – поясняет доктор Ватанабэ. Он также выражает уверенность, что это открытие в перспективе откроет путь к разработке новых лечебных подходов для борьбы с этим тяжелым нейродегенеративным заболеванием.
В здоровом мозге синаптические пузырьки (везикулы) играют роль крошечных контейнеров, доставляющих химические сигналы от одного нейрона к другому. Этот отлаженный механизм обмена информацией критически важен для процессов обучения, формирования памяти и общей обработки информации. Понимание того, как эти везикулы функционируют в нормальных условиях, является фундаментом для выявления сбоев в межнейронной коммуникации, которые приводят к развитию неврологических заболеваний, подчеркивает доктор Ватанабэ.
Ранее доктор Ватанабэ уже участвовал в разработке метода «быстрой заморозки» для изучения моментальных изменений в синаптических мембранах. Результаты той ранней работы были опубликованы в 2020 году в журнале Nature Neuroscience. Суть метода заключается в том, что к образцу мозговой ткани применяется кратковременный электрический стимул, после чего она мгновенно подвергается криогенной заморозке. Такой подход позволяет сохранить точное расположение клеточных структур, которые затем можно рассмотреть с беспрецедентной детализацией при помощи электронного микроскопа.
В одной из своих более ранних работ, опубликованной в Nature Neuroscience в этом году, доктор Ватанабэ применил эту технику на генетически модифицированных мышах. Целью было исследование роли белка под названием интерсектин. То исследование показало, как интерсектин способствует удержанию синаптических пузырьков в определенном месте, пока они не будут готовы к высвобождению нейромедиаторов и активации соседнего нейрона.
В текущем исследовании команда ученых анализировала образцы мозговой ткани здоровых мышей. Эти данные сравнивались с живой корковой мозговой тканью, полученной с согласия шести пациентов, которым проводились операции по поводу эпилепсии в больнице Джона Хопкинса. Хирургическое вмешательство было необходимо для удаления поражений гиппокампа – области мозга, играющей ключевую роль в памяти и эмоциях.
В сотрудничестве с Йенсом Эйлерсом и Кристиной Липпманн из Лейпцигского университета в Германии исследователи сначала убедились в надежности метода «быстрой заморозки» на мышиной ткани. Они наблюдали за процессами кальциевой сигнализации – именно кальций является тем триггером, который заставляет нейроны высвобождать нейромедиаторы.
Затем ученые применили метод для стимуляции нейронов мыши и смогли зафиксировать момент, когда синаптические пузырьки сливаются с клеточной мембраной, высвобождая свои химические вещества. Они также документировали процесс, при котором клетки забирали и повторно использовали эти пузырьки – явление, известное как эндоцитоз.
Когда команда применила метод «быстрой заморозки» к образцам человеческой ткани, они обнаружили те же самые стадии рециркуляции пузырьков, происходящие в человеческих нейронах.
Ученые обнаружили присутствие ключевого белка Dynamin1xA в обоих видах – как у мышей, так и у человека. Этот белок абсолютно необходим для сверхбыстрой рециркуляции синаптических мембран и был найден именно в тех местах, где, как предполагается, происходит эндоцитоз. Такое поразительное сходство убедительно свидетельствует о том, что механизмы, наблюдаемые на мышиных моделях, с высокой точностью отражают процессы, происходящие в человеческом мозге.
«Наши результаты показывают, что молекулярный механизм сверхбыстрого эндоцитоза сохраняется как в мозговой ткани мышей, так и в мозговой ткани человека», – комментирует доктор Ватанабэ. Он подчеркивает, что это значительно повышает ценность использования мышиных моделей для изучения биологии человеческого мозга.
Заглядывая в будущее, доктор Ватанабэ планирует применить метод «быстрой заморозки» к образцам мозговой ткани, полученным с согласия пациентов с болезнью Паркинсона, проходящих процедуры глубокой стимуляции мозга. Конечная цель – выяснить, как динамика пузырьков может отличаться в пораженных нейронах и насколько эти отличия коррелируют с развитием заболевания.
Исследование было проведено при поддержке широкого круга организаций, включая Национальные институты здравоохранения США, Медицинский институт Говарда Хьюза, Фонд Казато, Американские ливанско-сирийские благотворительные организации, Морскую биологическую лабораторию, Лейпцигский университет, Фонд Роланда Эрнста, Медицинскую школу Джона Хопкинса, Инициативу Чана Цукерберга, Фонд исследования мозга, Фонд Хелис, Фонд Роберта Дж. Клеберга-младшего и Хелен С. Клеберг, Фонд Макнайта, Фонд Эстер А. и Джозефа Клингенштейна, а также Фонд Валле.
Среди ключевых участников исследования – Челси Эддингс, Минхуа Фань, Юута Имото, Ки Ито, Сьомара Макдональд, Уильям Андерсон, Пол Уорли и Дэвид Науэн из Университета Джона Хопкинса, а также Йенс Эйлерс и Кристина Липпманн из Лейпцигского университета.
