Гиппокамп мыши через три дня после рождения
Yasunobu Murata & Matthew Colonnese / Science Advances, 2020
Ученые впервые доказали in vivo, что выделяющие гамма-аминомасляную кислоту нейроны на ранних стадиях развития являются возбуждающими, а потом становятся тормозными. ГАМК-нейроны гиппокампа трехдневных мышат обладали активирующим эффектом, но к седьмому дню становились тормозными. В зрительной зоне коры мозга такие клетки с рождения оказывали подавляющее действие. Авторы статьи, опубликованной в журнале Science Advances, отмечают, что из-за такой гетерогенности модуляция активности ГАМК-нейронов (например, при лечении эпилепсии) в раннем возрасте может привести к непредсказуемым результатам.
ГАМКергические интернейроны (клетки, которые выделяют в качестве медиатора гамма-аминомасляную кислоту) являются основной тормозной системой мозга млекопитающих и важны для правильной настройки ритмов мозга. Необходимы они и для формирования нейронных сетей в развивающемся мозге, однако их функций и механизм влияния на эмбриональное и постнатальное развитие нервной системы изучены слабо.
Существует гипотеза, согласно которой в молодом мозге ГАМКергические нейроны не подавляют, а, наоборот, возбуждают нервные клетки-мишени и синхронизируют активность нейронов. При созревании сетей коры головного мозга ГАМКергические клетки должны в таком случае перестраивать свою работу и становиться тормозными. До сих пор подтвердить эту гипотезу in vivo не удалось — даже клетки, которые в культуре являются возбуждающими, в мозге живых животных проявляли тормозную активность.
Ясунобу Мурата (Yasunobu Murata) и Мэттью Колоннезе (Matthew Colonnese) из Университета Джорджа Вашингтона изменяли активность ГАМКергических нейронов гиппокампа у новорожденных мышей. Для этого сразу после рождения мышатам делали инъекцию вируса, который доставлял в ГАМКергические клетки гиппокампа рецепторы двух типов: один возбуждал нейроны, если на него попадал клозапин-N-оксид, а другой подавлял их активность при действии сальвинорина B. Затем исследователи вводили мышам одно из этих веществ и наблюдали за активностью гиппокампа с помощью пучка микроэлектродов.
Возбуждение ГАМКергических нейронов клозапин-N-оксидом на третий день от рождения приводило к увеличению активности пирамидных клеток гиппокампа. Сальвинорин B, наоборот, вдвое снижал количество нервных импульсов и амплитуду ритмов в гиппокампе. На седьмой день после рождения зависимость изменилась на противоположную: при активации ГАМКергических нейронов пирамидные клетки гиппокампа затормаживались. В этом возрасте ГАМКергические нейроны не влияли на амплитуду ритмов гиппокампа. Значит, в раннем постнатальном периоде клетки, выделяющие ГАМК, являются возбуждающими и модулируют ритмы гиппокампа, а затем ритмы становятся независимыми, а ГАМК-нейроны — тормозными.
Затем действие ГАМКергических клеток проверили в зрительной коре. В этой зоне как на третий, так и на седьмой день после рождения ГАМК-нейроны обладали тормозной активностью и не влияли на ритмическую активность гиппокампа.
Из-за гетерогенности (в зависимости от возраста и зоны мозга) влияния ГАМК-нейронов в раннем возрасте попытка модулировать их активность на системном уровне (например, при лечении эпилепсии) может привести к непредсказуемым результатам. Чтобы проверить эффект возбуждения или торможения ГАМКергических нейронов в целом в мозге, вирус с рецепторами ввели в энторинальную и соматосенсорную кору (эти области посылают проекции в гиппокамп).
Возбуждение ГАМК-нейронов энторинальной и соматосенсорной коры привело к подавлению активности пирамидных нейронов гиппокампа, а торможение выделяющих ГАМК клеток — к обратному эффекту. Значит, тормозные сигналы нейронов коры «перевешивают» возбуждающую активность интернейронов гиппокампа.
Наконец, ученые проверили достоверность результатов и механизм действия ГАМКергических нейронов другим методом. Для этого воспользовались инструментами оптогенетики: с помощью вируса в нервные клетки доставили активируемые светом белки-каналы для анионов (обычно открытие анионных каналов приводит к торможению клетки). Вирус ввели в в ГАМК-нейроны гиппокампа или в пирамидные клетки той же области и зрительной коры. Во втором случае светочувствительные белки имитировали рецепторы к ГАМК пирамидных нейронов — возможно, именно они обуславливают разное влияние ГАМК-нейронов в разном возрасте.
Оптогенетическое торможение ГАМКергических нейронов гиппокампа приводило к подавлению активности пирамидных клеток в возрасте трех дней, но к активации на седьмой день после рождения. В зрительной коре открытие светочувствительных анионных каналов ослабляло активность пирамидных клеток, но в трехдневном гиппокампе эффект был противоположным — анионная проводимость, хоть и ненадолго, приводила к электрическому возбуждению клеток. К седьмому дню зависимость становилась обратной. Ученые заключили, что гетерогенное влияние ГАМКергических нейронов опосредовано анионными рецепторами к ГАМК.
Недостаток ГАМКергических клеток возникает при некоторых нейродегенеративных заболеваниях, например, при хорее Гентингтона. Чтобы компенсировать погибшие клетки, ученые научились превращать глию в тормозные нейроны — правда, пока только у мышей.
Алиса Бахарева