Долгое время учёные представляли себе мозг млекопитающих довольно статичным органом: считалось, что если что-то и случалось с нейронами, так это их дегенерация, но никак не образование и рост новых. Отсюда и фраза “не нервничайте, нервные клетки не восстанавливаются”. На самом деле это не совсем так: сами нейроны действительно не делятся, но могут вновь образовываться из клеток-предшественников.
Почему нейроны не делятся?
Удивительно, что ещё в недалёкие 1980-е годы многое из процессов становления нервной системы оставалось скрытым за завесой тайны. Как обычно происходит в исследовании биологии развития, первые “новости” пришли от беспозвоночных. Проследив эмбриогенез мухи дрозофилы, учёные обнаружили, что нервная система развивается по таким же фундаментальным принципам, как, например, и кровеносная: рост начинается со стволовых клеток и идёт в сторону их специализации.
Стволовые клетки обладают неограниченной способностью к самовоспроизведению, при их делении могут возникать как такие же стволовые клетки, так и более специализированные (нейробласты в случае с нервной системой). Таким образом, процесс развития нервной системы можно рассматривать как все большее и большее усложнение функций с течением времени – от нейронных стволовых клеток через нейробласты к нейронам. В то же время за всё приходится платить: специализация клеток повышается, но при этом потенциал клетки уменьшается. Например, нейробласты больше похожи по свойствам на нейроны, чем нейронные стволовые клетки, но при делении они могут дать потомство всё меньшему количеству разных типов клеток. Нейроны, приобретая способность формировать сложные нейронные сети, полностью утрачивают способность делится.
Интересно, что утрата возможности делиться происходит не за счёт изменений в ДНК — геном нейрональных стволовых клеток и нейронов (как, впрочем, и других клеток организма) одинаков. Напротив, когда нейрон растёт, то происходят эпигенетические изменения (в широком смысле – меняются механизмы экспрессии генов, которые не затрагивают перестройку ДНК). Как и какие именно метаморфозы происходят, а также каким обрзом они передаются — одни из ключевых вопросов, на которые пока нет ответа.
Ядерные испытания на пользу неврологии
Раз сами нейроны не могут делится, то для их восстановления нужны ниши нейронных стволовых клеток и нейробластов, которые как раз и дадут начало нейронам в процессе под названием “нейрогенез”. Активный нейрогенез у человека происходит на стадии эмбриона и в короткий период после рождения (поэтому для нормального развития так критично, чтобы младенец не подвергался стрессам в этот период).
Первые сведения о том, что во взрослом мозге могут образовываться новые нейроны, появились ещё в 1960-х годах, но их воспринимали с изрядной долей скепсиса. По понятным причинам исследования велись в основном на грызунах, и возникал вопрос: можно ли перенести результаты исследования на человека? Дело в том, что развитие мозга мыши занимает 7 дней, тогда как мозга человека (в тысячу раз большего чем мозг мыши) — 9 месяцев. В 1998 году получено первое прямое доказательство того, что да: нейроны образуются и во взрослом мозге человека.
Следующий логичный вопрос: насколько активно идёт образование нейронов у взрослого человека? Объединение двух факторов позволило ответить на этот вопрос. Радиоизотопный метод датирования, который обычно используется в археологии и палеонтологии, позволил определять возраст клеток внутри одного человека из-за резких колебаний атмосферного уровня радиоактивных изотопов в XX веке. Второй фактор — это добрая воля людей, разрешивших использовать свой мозг после смерти.
Как же работает этот метод? Активное наземное тестирование ядерного вооружения в 1955-1963 годах привело к тому, что уровень радиоактивного изотопа углерода С14 в атмосфере резко повысился. К слову, содержание этого изотопа в атмосфере такое же, как и в теле человека: углерод реагирует с кислородом, образуя углекислый газ СО2, который, в свою очередь, поглощается растениями в процессе фотосинтеза. При потреблении в пищу растений (или животных, которые питались растениями), человек в том числе поглощает изотоп углерода С14. При делении клетки этот углерод С14 включается в состав ДНК, таким образом составляя «точку отсчёта» для определения возраста клетки.
В 1963 году подписали договор об ограничении испытаний ядерного оружия, запрещающий наземные ядерные испытания. В окружающей среде уровень изотопа углерода С14 уменьшился: частично из-за его диффузии в атмосферу, частично из-за поглощения средой. Соответственно, новые клетки, которые образовались в организме после 1963 года, имели в составе ДНК меньшее количества радиоактивного изотопа С14. Зная период полураспада С14 и сравнивая содержания С14 в ДНК клеток мозга, можно определить, в каком году образовалась новая клетка. Точность метода - +/-1,5 года. Математическое моделирование на основании 55 образцов тканей мозга установило, что в зубчатой извилине гиппокампа взрослого человека ежегодно появляется больше 700 новых нейронов, то есть в год обновляется 1,75 процентов всех нейронов гиппокампа, а за всю жизнь — около 80 процентов.
Что дальше?
Образование новых нейронов у млекопитающих идёт в определённых зонах (нишах стволовых клеток) — субвентрикулярных зонах боковых желудочков головного мозга и в зубчатой извилине гиппокампа. Но деление нейробластов — это только первый этап превращения клетки в зрелый нейрон. Следующий этап — перемещение новых клеток к местам их постоянной локации. Уже на новом месте происходит их дифференциация и интегрирование в нейронные сети. Для того, чтобы встроиться в уже существующую нейронную сеть, новорождённому нейрону необходимо два месяца. У взрослых этот процесс образования связей происходит дольше, чем в эмбриональном мозге, хотя морфологически новые нейроны, которые образуются в мозге эмбриона и во взрослом мозге, не отличаются.
Дегенерация нейронов — причина многих заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и синдром Паркинсона. Зная, что в организме есть нейрональные стволовые клетки, учёные могут стимулировать их деление факторами роста. Другой вариант — это введение новых нейрональных стволовых клеток. В 2006 году японские биологи Казутоши Такахаши и Синья Яманака смогли репрограммировать соматические клетки в стволовые. Хотя клинические испытания ещё не принесли убедительных результатов и далеко не всё понятно в этапах развития нейронов, всё же трудно переоценить значение нейрональных стволовых клеток для будущего лечения нейродегенеративных заболеваний и преодоления старения.
Braun S., Jessberger S. (2014). Adult neurogenesis: mechanisms and functional significance. Development 141(10):1983-6.
Gage FH, Temple S. (2013). Neural stem cells: generating and regenerating the brain. Neuron 80(3):588-601.
Spalding KL, Bergmann O, Alkass K, Bernard S, Salehpour M, Huttner HB, Boström E, Westerlund I, Vial C, Buchholz BA, Possnert G, Mash DC, Druid H, Frisén J. (2013). Dynamics of hippocampal neurogenesis in adult humans. Cell 153(6):1219-27.