Графика: Кристин Данилофф
Каждый из 100 миллиардов нейронов мозга образует тысячи связей с другими нейронами. Эти связи, известные как синапсы, позволяют клеткам быстро обмениваться информацией, координировать свою деятельность и обеспечивать обучение и память. Нарушения этих связей были связаны с неврологическими расстройствами, включая аутизм и болезнь Альцгеймера, а также с ухудшением памяти при нормальном старении.
Многие ученые считают, что укрепление синаптических связей может предложить способ лечения этих заболеваний, а также связанного с возрастом снижения функции мозга. С этой целью группа исследователей из Массачусетского технологического института разработала новый способ выращивания синапсов между клетками в лабораторной посуде в строго контролируемых условиях, которые позволяют быстро и в крупном масштабе проверять наличие потенциальных новых лекарств.
Используя свою новую технологию, исследователи уже идентифицировали несколько соединений, которые могут укреплять синапсы. Такие препараты могут помочь компенсировать снижение когнитивных функций, наблюдаемое при болезни Альцгеймера, говорит Мехмет Фатих Яник, специалист Роберта Дж. Шиллман (1974), доцент кафедры электротехники Массачусетского технологического института и руководитель исследовательской группы. Яник и его коллеги описали технологию в октябре. 25-е онлайн-издание журнала Nature Communications.
Ведущий автор исследования – постдок Массачусетского технологического института Пэн Ши. Другие авторы – аспиранты Массачусетского технологического института Марк Скотт и Закари Висснер-Гросс; Стивен Хаггарти, Баларам Гош и Донгпенг Ван из Гарвардского университета; и Ральф Мазичек из Массачусетской больницы общего профиля, который разработал и проанализировал потенциальные лекарственные соединения, проверенные в исследовании.
В синапсе нейрон посылает сигналы одной или нескольким клеткам, высвобождая химические вещества, называемые нейротрансмиттерами, которые влияют на активность клетки-реципиента. Ученые могут побуждать нейроны, выращенные в лабораторной посуде, образовывать синапсы, но это обычно создает беспорядок соединений, которые трудно изучить.
В новой установке, разработанной Яником и его коллегами, пресинаптические нейроны (те, которые отправляют сообщения через синапс) выращиваются в отдельных отсеках на лабораторной посуде. В отсеках есть только одно отверстие, в крошечный канал, который ведет в другой отсек. Пресинаптический нейрон отправляет свой длинный аксон через канал в другой отсек, где он может образовывать синаптические связи с клетками, расположенными в сетке. ?? Таким образом, мы можем вызвать синапсы в очень четко определенных положениях, ?? Яник говорит.
Используя эту технику, исследователи могут создать сотни тысяч синапсов на одной лабораторной посуде, а затем использовать их для тестирования эффектов потенциальных лекарственных соединений. Этот метод может обнаруживать изменения в силе синапсов с в 10 раз большей чувствительностью, чем существующие методы.
В этом исследовании ученые создали и протестировали варианты молекулы, известной как ингибитор HDAC. HDAC – это ферменты, которые контролируют, насколько плотно ДНК намотана внутри ядра клетки, что определяет, какие гены могут копироваться и экспрессироваться. Ингибиторы HDAC, которые ослабляют спирали ДНК и выявляют гены, которые были отключены, в настоящее время рассматриваются как потенциальные средства лечения болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных заболеваний.
Исследователи?? целью было найти ингибиторы HDAC, которые специфически включают гены, усиливающие синаптические связи. Чтобы определить, какой из них оказал наибольшее влияние, они измерили количество белка, называемого синапсином, в пресинаптических нейронах. Эти тесты выявили несколько ингибиторов HDAC, которые укрепляли синапсы, причем лучший из них улучшал силу синапсов на 300 процентов.
Некоторые ингибиторы HDAC мало влияли на силу синапсов, демонстрируя важность поиска ингибиторов HDAC, специфичных для синаптических генов.
«Новая технология предлагает значительное улучшение существующих методов выращивания синапсов и изучения их образования», – говорит Мэтью Далва, доцент нейробиологии в Университете Томаса Джефферсона, который не входил в исследовательскую группу. «Сейчас мы так мало знаем о формировании синапсов, так что это может открыть новые двери», он говорит.
В будущих исследованиях эту систему также можно будет использовать для изучения связей между определенными типами нейронов, полученными из разных областей мозга, например, тех, которые считаются нарушенными у людей с аутизмом. Яник планирует сделать эту технологию доступной для других исследовательских групп, заинтересованных в проведении таких исследований.