В недавнем исследовании учеными Колумбийского университета (Columbia University), США, идентифицирован ген, участвующий в формировании и равномерном распределении в структурах головного мозга (ГМ) нейронной сети, регулирующей рилизинг серотонина — одного из основных нейротрансмиттеров течения эмоциональных процессов. Нарушение экспрессии указанного гена у лабораторных животных приводит к изменению характера нейронального ветвления, что влечет за собой нарушения системности распределения серотонина в нервных структурах, потенциально формируя морфологический субстрат депрессивных клинических проявлений. По мнению авторов работы, эти наблюдения расширяют понимание важности биологически установленного порядка пространственной организации нейронной сети для поддержания здорового функционирования ГМ, а также открывают многообещающее направление исследований психических расстройств, обусловленных дисбалансом серотонина — депрессии, биполярного расстройства, шизофрении, аутизма. Том Маниатис (Tom Maniatis), руководитель исследования, доктор философии, профессор Института по изучению сознания, мозга и поведения имени Мортимера Б. Цукермана (Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute) при Колумбийском университете, заведующий кафедрой биохимии и молекулярной биофизики Медицинского центра Колумбийского университета, отметил, что: «Выявление генов, управляющих процессами пространственной организации нейронов, позволяет провести черту между изменениями этих генов, клеточной архитектоникой и поведенческими особенностями, которые развиваются в результате таких изменений». Результаты работы опубликованы в издании «Science» 28 апреля 2017 г.
Исходной целью настоящей работы было изучение вопроса о том, каким образом отдельные нейроны формируют непосредственные взаимосвязи друг с другом, а также выяснение механизма, позволяющего этим сотням тысяч разветвлений обширной нейронной сети функционировать безошибочно точно. Для решения поставленной задачи авторы сосредоточили внимание на изучении группы генов, именуемых кластерными протокадгеринами (clustered protocadherin — Pcdh). Ранее авторским коллективом под руководством Т. Маниатиса выявлен кластер генов Pcdh человека, а также описана роль этих генов в кодировании особенностей клеточной поверхности, опосредующих межнейронное распознавание в процессе их сложного взаимодействия. Впоследствии механизм кодирования и считывания информации Pcdh, заключенной в структурных особенностях клеточной поверхности, был уточнен. Выяснено, что эти особенности позволяют нейронам путем распознавания избегать погрешностей указанного процесса, что в итоге препятствует бессистемности пространственной дифференцировки нейронной сети, поддерживая свойство саморегулирования функциональной системы.
В частности, Т. Маниатис и соавторы изучали функции Pcdh в обонятельных и серотонинергических сетях. Исследование обонятельных сенсорных путей показало, что разнообразие Pcdh, функционирующих сообща, создает необходимые молекулярные вариации свойств клеточной поверхности, обеспечивающих уникальность идентичности каждого нейрона. При этом отсутствие разнообразия обонятельных сенсорных нейронов приводит к утрате необходимой функциональности сенсорного пути, в результате чего лабораторные животные не различают запахов. Исследование же серотонинергической нейрональной сети выявило еще одну важную функцию Pcdh. Ранее выявлено, что нейроны, основной функцией которых является равномерное распределение серотонина в тканях ГМ, формируют особый рисунок ветвления, образно именуемый «аксональной черепицей». В серии новых экспериментов с участием лабораторных животных в кластере Pcdh ученые идентифицировали уникальный ген Pcdh-alpha-c2, обеспечивающий способность серотонинергических нейронов формировать «черепичную» структуру морфологического рисунка нервной ткани и, соответственно, равномерно распределять серотонин. Таким образом, авторы пришли к выводу о том, что именно единство и уникальность указанного функционального белка распознавания серотонинергических нейронов обеспечивает упорядоченность их пространственного дифференцирования.
Резюмируя итоги проведенной работы, Т. Маниатис подчеркнул, что роль дисбаланса серотонина в развитии различных психических расстройств, включая депрессию, биполярное расстройство и шизофрению, давно и достаточно изучена. Однако большинство исследований до настоящего времени были сосредоточены на изучении нюансов синтеза, рецепции и поглощения серотонина, не акцентируя внимание на морфофункциональных особенностях структур, обеспечивающих доставку этого нейротрансмиттера. Поэтому углубленное исследование аномалий функционирования нейронных сетей, по словам Т. Маниатиса, может стать новой точкой приложения в поиске путей терапии заболеваний, связанных с дисбалансом серотонина.
- Mountoufaris G., Chen W.V., Hirabayashi Yu. et al. (2017) Pcdh diversity is required for mouse olfactory neural circuit assembly. Science, 356(6336): 411–414 (http://science.sciencemag.org/content/356/6336/411).
- The Zuckerman Institute at Columbia University (2017) Neurons’ faulty wiring leads to serotonin imbalance, depression-like behavior in mice. Sci. Bul., May 1 (http://sciencebulletin.org/archives/12672.html).
Наталья Савельева-Кулик
