Главная » Статьи » Наука » Исследования

Промывка мозгов



Человеческий мозг весит около полутора килограммов, это примерно 2% от веса всего тела. Однако клетки мозга потребляют 20–25% всей получаемой организмом энергии. При этом образуется большое количество потенциально опасных вредных веществ. Ежедневно из мозга взрослого человека должны выводиться поврежденные белки, которые заменяются на новые. За месяц в мозге образуется более 100 г. отработанных веществ, а в течение года их выводится около 1,5 кг, что сопоставимо с собственным весом мозга.

Для выживания мозг должен иметь возможность каким-то образом избавляться от этих отходов. Невозможно представить, чтобы в органе, выполняющем столь тонкую работу, порождающем наши мысли и действия, не было бы эффективной системы удаления отработанных веществ. Однако до недавнего времени принципы работы этой системы были неизвестны. Могут ли клетки мозга сами перерабатывать образующиеся отходы или вредные вещества должны выводиться за пределы нервной системы? И почему в процессе эволюции в мозге не сформировалось приспособления для выведения отходов в те части организма, которые лучше предназначены для переработки вредных веществ? Не стоит забывать, что у нас есть мощная система обезвреживания и переработки продуктов жизнедеятельности организма — печень.

Примерно пять лет назад мы начали исследовать, как мозг избавляется от белков и других отходов. Кроме того, нас заинтересовало, как нарушение этого процесса может вызывать когнитивные проблемы, характерные для нейро-дегенеративных процессов. Мы предположили, что проблемы с выведением ненужных веществ могут играть роль в развитии таких заболеваний, поскольку поврежденные белки будут накапливаться в клетках и между ними.

Известно, что белковые скопления (бляшки) действительно появляются в клетках мозга при нейродегенеративных заболеваниях, а также то, что они могут мешать передаче электрических и химических сигналов в мозге, нанося таким образом непоправимый ущерб. И действительно, патологии, наблюдаемые при болезнях Альцгеймера, Паркинсона и других возрастных нейродегенеративных заболеваниях, можно воспроизвести у животных, увеличив интенсивность появления таких белковых скоплений.

В ходе наших исследований мы обнаружили не описанную ранее систему выведения белковых и других отходов из мозга и выяснили, что наиболее активно это происходит во время сна. Необходимостью удаления из мозга потенциально опасных веществ можно объяснить, почему человек проводит во сне треть жизни. Если мы поймем, что происходит при сбое этой системы, то получим новые методы диагностики и лечения множества неврологических заболеваний.

Глимфатическая система

Обычно отработанные белки выводятся из тканей тела с помощью сложной системы лимфатических сосудов. Жидкость, выносящая ненужные вещества, проходит между клеток и собирается в небольшие каналы, которые, объединяясь, образуют более крупные и в итоге впадают в кровеносную систему. Помимо сбора отходов эта система каналов участвует в иммунной защите, поскольку в ней в ключевых местах расположены лимфатические узлы, наполненные белыми кровяными клетками, которые борются с инфекцией. На протяжении 100 лет ученые думали, что в головном и спинном мозге нет лимфатической системы. Считалось, что мозг сам перерабатывает свои отходы. Мы выяснили, что это не совсем так.

В мозге кровеносные сосуды окружены так называемыми периваскулярными пространствами. Это туннели, окружающие каждый кровеносный сосуд. Их внутренняя стенка образована клетками поверхности сосудов, в основном это эндотелиальные и гладкомышечные клетки. А внешняя стенка периваскулярных пространств состоит из структур, встречающихся только в головном и спинном мозге, она образована расширяющимися отростками клеток особого типа — астроцитов.

Глимфатическая система

Астроциты — это вспомогательные клетки, которые выполняют множество функций, обслуживая сети нейронов, передающих сигналы в мозге. Их отростки — «ножки» — полностью окружают артерии, капилляры и вены в головном и спинном мозге. Пустое пространство между ножками астроцитов и стенкой сосудов почти не содержит препятствий для движения жидкости, и через него можно быстро выводить опасные вещества из мозга.
Ученые знали о существовании периваскулярных пространств, но до недавнего времени не догадывались о том, какие функции они выполняют. Тридцать лет назад Патриция Грэди (Patricia Grady), работавшая в Мэрилендском университете, описала движение жидкости в периваскулярных пространствах. Она сообщила, что крупные белки, введенные в спинномозговую жидкость собак или кошек, впоследствии могут быть обнаружены в периваскулярных пространствах. В то время другие ученые не смогли воспроизвести ее наблюдения и не понимали их значения, поэтому дальнейших исследований не было.

Когда несколько лет назад мы начали изучать систему удаления вредных веществ из мозга, то сосредоточились на описанных ранее водопроводящих каналах, образованных белком, который называется аквапорин 4. Плотность каналов в мембранах ножек астроцитов была сопоставима с таковой в почках, органах, основная задача которых — перекачивать воду. Нас сразу заинтересовала многочисленность водопроводящих каналов в астроцитах и то, как они расположены относительно стенок кровеносных сосудов. Интерес возрос, когда при более внимательном изучении было обнаружено, что в клетках эндотелия, отделявших кровеносные сосуды от периваскулярных пространств, такие каналы отсутствовали. Это означало, что жидкость не могла напрямую проникать из кровяного русла в ткани мозга. Она должна была течь по периваскулярным пространствам и попадать в ткани мозга, проходя через астроциты.

Мы предположили, что периваскулярные пространства могут быть аналогом лимфатической системы для мозга. Проходит ли сюда спинномозговая жидкость (ликвор)? Пульсация артерий может обеспечить движение ликвора через периваскулярные пространства. Некоторое количество жидкости попадет оттуда в астроциты. Затем она может поступать в межклеточное пространство и в итоге выходить в периваскулярное пространство вблизи вен, вынося из мозга ненужные вещества. Вместе с сотрудниками нашей лаборатории Джеффом Айлиффом (Jeff Iliff) и Рашидом Дином (Rashid Deane) мы занялись поиском подтверждений этой гипотезы. Окрашивая жидкость с помощью химических красителей и используя методы микроскопии, позволяющие увидеть, что происходит глубоко внутри живой ткани мозга, мы могли наблюдать, как пульсация кровеносного сосуда перемещает большой объем ликвора по периваскулярному пространству вокруг артерий. С помощью каналов, расположенных в астроцитах, ликвор проникает в ткани мозга и забирает оттуда отработанные белки.

Из мозга жидкость поступает в периваскулярные пространства вокруг мелких вен, проходящих в мозге. Затем эти кровеносные сосуды объединяются в более крупные и уходят в шею. Выводимая жидкость поступает в лимфатическую систему, а оттуда в кровеносное русло. Туда же попадают продукты разрушения белков из других органов, и это все в итоге фильтруется через почки или перерабатывается в печени. Начиная исследование, мы не предполагали, что астроциты играют такую важную роль, формируя в мозге фактически аналог лимфатической системы. Дополнительные подтверждения были получены, когда мы использовали генетически модифицированных мышей, у которых был нарушен синтез аквапорина 4 — белка, образующего водопроводящие каналы в астроцитах. Прохождение жидкости через мозг значительно замедлилось, поскольку интенсивность движения ликвора сквозь астроциты упала на 60%.

Итак, нам удалось выяснить, по какому пути движется жидкость в мозге, чтобы эффективно удалять отходы его жизнедеятельности. Мы назвали это глимфатической системой. В новом термине объединены слова «глия» (так называют вспомогательные клетки нервной ткани, к числу которых относятся астроциты) и «лимфатический» (это отсылка к новой функции, найденной у глиальных клеток). Выяснив, какую важную роль играет глимфатическая система, мы сразу предположили, что, может быть, белки, участвующие в развитии нейродегенеративных заболеваний, в здоровом мозге просто вымываются вместе с другим клеточным мусором. В частности, ранее считалось, что связанный с появлением болезни Альцгеймера пептид бета-амилоид в нормальных условиях разрушается или перерабатывается в собственных клетках мозга. При болезни Альцгеймера скопления бета-амилоида образуют амилоидные бляшки между клетками, что может способствовать развитию патологического процесса. Мы обнаружили, что из здорового мозга бета-амилоид выводится с помощью глимфатической системы. Другие белки, задействованные в нейродегенеративных заболеваниях, например синуклеин, связанный с болезнью Паркинсона, деменцией с тельцами Леви и мультисистемной атрофией, также могут выводиться из мозга и, соответственно, при нарушении работы глимфатической системы, накапливаться и вызывать патологии.

Симптом, встречающийся при болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных заболеваниях, подсказал направление дальнейших исследований. У многих пациентов с болезнью Альцгеймера нарушение сна наблюдалось задолго до того, как появились явные признаки деменции. У пожилых людей сон становится более прерывистым, поверхностным и длится меньше. В одном длительном исследовании среди людей среднего возраста выявляли тех, кто жаловался на плохой сон. Потом их протестировали снова, спустя 25 лет, и среди них оказалось больше людей с когнитивными нарушениями, чем в контрольной группе. Даже у здоровых людей, вынужденных бодрствовать слишком долго, появляются симптомы, характерные для неврологических и психических заболеваний: сниженная концентрация внимания, провалы в памяти, апатия, раздражительность, эмоциональные всплески и падения. Полное лишение возможности спать может привести к спутанности сознания, галлюцинациям, эпилептическим припадкам и даже смерти. Лабораторные животные погибают, если их лишать сна в течение нескольких дней, и люди не намного устойчивее животных. Человек, страдающий фатальной семейной бессонницей, наследственным заболеванием, спит все меньше, а затем умирает; как правило, это происходит в течение полутора лет с момента постановки диагноза.

На основе всей этой информации мы предположили, что нарушения сна при нейродегенеративных заболеваниях могут быть не побочным эффектом, а причиной болезни. Более того, если глимфатическая система выводит бета-амилоид более интенсивно во время сна, его недостаток у пациентов с нейродегенеративными заболеваниями может ухудшать состояние. Поскольку первоначально эксперименты проводились на мышах, погружаемых в сон с помощью наркоза, мы предположили, что в бодрствующем активном мозге, которому для нормальной работы могут быть нужны другие условия, интенсивного движения жидкости наблюдаться не будет.

Чтобы проверить эту идею, Лулу Се (Lulu Xie) и Хуни Кан (Hongyi Kang), работая в лаборатории у Недергард, приучили мышей неподвижно сидеть под микроскопом, так что можно было с помощью метода двухфотонной микроскопии увидеть распределение меченого вещества в ликворе. Мы сравнили движение индикатора по глимфатической системе в бодрствующем и спящем мозге. Поскольку этот метод визуализации неинвазивный и безболезненный, мыши сидели спокойно и даже засыпали во время процедуры. Таким образом, мы получили возможность увидеть движение ликвора в одном и том же участке мозга грызунов при бодрствовании и во время сна. Оказалось, что во время бодрствования животных движение ликвора значительно снижалось. А через несколько минут после засыпания или под действием наркоза интенсивность движения резко усиливалась. Работая вместе с Чарлзом Николсоном (Charles Nicholson) из Нью-Йоркского университета, мы обнаружили, что когда мыши спят, у них более чем на 60% увеличивается межклеточное пространство, по которому глимфатическая жидкость течет в сторону периваскулярных пространств, окружающих вены. Сейчас мы считаем, что движение глимфатической жидкости усиливается во время сна потому, что расширяется пространство между клетками и таким образом облегчается прохождение жидкости через ткани мозга.

В нашем исследовании было показано и то, как контролируется скорость движения жидкости. Оказалось, что нейромедиатор норадреналин регулирует объем межклеточного пространства и, соответственно, скорость движения глимфатической жидкости. Содержание норадреналина повышается, когда мыши бодрствуют, и снижается во время сна, и связанное со сном понижение содержания адреналина приводит к усилению движения жидкости.

Влияние сна

Показав, что увеличение и уменьшение межклеточного пространства во время сна важно и для работы мозга, и для выведения белковых отходов, мы захотели проверить идею, логично следующую из этих наблюдений: может ли недостаток сна ускорять развитие нейродегенеративного заболевания? В экспериментах на мышах мы показали, что во время сна глимфатическая система действительно удаляет бета-амилоид из мозга с высокой эффективностью: интенсивность выведения увеличилась более чем вдвое. С другой стороны, у генетически модифицированных мышей с нарушением синтеза аквапорина 4 — белка, образующего водопроводящие каналы в астроцитах, — были значительные нарушения в работе глимфатической системы. У них из мозга выводилось на 40% меньше бета-амилоида, чем у животных из контрольной группы.

Удивительно высокая интенсивность выведения бета-амилоида опровергает широко распространенные представления о том, что клетки мозга сами перерабатывают все свои отходы (при помощи процессов, которые называются «убиквитинирование» и «аутофагия»). Сегодня мы знаем, что значительную часть ненужных белков мозг удаляет целиком и разрушаются они уже в другом месте. Судя по всему, эти новые открытия подтверждают, что спящий мозг выводит белковые отходы, в том числе бета-амилоид, с помощью глимфатической системы. Дополнительное подтверждение этой идеи было получено от исследовательской группы Дэвида Хольцмана (David M. Holtzman) из Университета Вашингтона в Сент-Луисе. Они показали, что содержание бета-амилоида в межклеточном пространстве во время бодрствования выше, чем во время сна, а недостаток сна усиливает образование амилоидных бляшек у мышей, которых генетически модифицировали так, чтобы увеличить накопление бета-амилоида.

Сейчас это только фундаментальные исследования в лабораториях. Фармацевтические компании пока не рассматривают возможность лечения деменции путем физического удаления амилоида и других опасных белков, вымывая их из мозга с помощью глимфатической системы. Может быть, они еще придут к этой идее. Сегодня такое заболевание обходится системе здравоохранения США в $226 млрд ежегодно, и нам необходимы новые способы его лечения. Пока ни одно из проводящихся клинических испытаний лекарств от болезни Альцгеймера не показало высокой эффективности. Усиление работы глимфатической системы — это новая идея, достойная изучения.

Лекарственные средства, влияющие на работу глимфатической системы и повышающие интенсивность движения жидкости во время сна, могли бы буквально вынести амилоид из мозга. На то, что этот метод мог бы сработать, указывает один из способов лечения известного неврологического синдрома. Нормотензивная гидроцефалия — это разновидность деменции, чаще появляющаяся у пожилых людей, при которой в желудочках мозга скапливается чрезмерное количество ликвора. Когда таким пациентам с помощью люмбальной пункции удаляют часть жидкости, у них наблюдается значительное улучшение когнитивных способностей.

Долгое время механизм этого явления оставался неясен. Результаты наших исследований позволяют предположить, что восстановление тока жидкости в глимфатической системе может способствовать восстановлению когнитивных способностей у больных. Возможно, нового лекарства создано не будет, но благодаря знаниям о глимфатической системе появляются свежие идеи о методах диагностики болезни Альцгеймера и других заболеваний. В исследовании, которое недавно провела Хелен Бенвенисте (Helene Benveniste) из Медицинской школы Университета штата Нью-Йорк в Стони-Брук, выяснилось, что обычная магнитно-резонансная томография позволяет увидеть и измерить работу глимфатической системы. Таким образом, можно использовать оценку интенсивности движения жидкости для прогнозирования развития заболевания у пациентов с болезнью Альцгеймера, другими деменциями или нормотензивной гидроцефалией. Можно предсказывать и перспективы восстановления при травмах мозга. До сих пор большинство проведенных нами исследований глимфатической системы были сосредоточены вокруг выведения белковых отходов. Изучение этой системы может быть полезно и для получения фундаментальных представлений о работе мозга.

Жидкость, проходящая по глимфатической системе, может не только выводить отходы, она может доставлять питательные вещества и другие молекулы в мозг. В недавних исследованиях было показано, что по глимфатическим каналам в нейроны поступает глюкоза, необходимая для получения энергии. Сейчас выясняется, может ли белое вещество, образованное отростками нейрона — аксонами, получать из глимфатической системы питательные вещества и молекулы, нужные для поддержания структуры клетки. В таких исследованиях может открыться много неожиданных функций глимфатической системы в ежедневной и еженощной работе мозга.

Авторы:

Стивен Голдман (Steven A. Goldman) — профессор нейробиологии и неврологии в Школе медицины и стоматологии Рочестерского университета и в Копенгагенском университете.

Майкен Недергард (Maiken Nedergaard) работает в Медицинском центре Рочестерского университета и в Копенгагенском университете. Она изучает астроциты — одну из разновидностей глиальных клеток мозга. Астроциты играют роль в развитии различных неврологических заболеваний.

Источник: Журнал "В мире науки" за июнь 2016 года
Категория: Исследования
Добавлено: 15.06.2016
Просмотров: 777
Рейтинг: 5.0/1
Темы: глимфатическая система, астроциты, медицина, мозг, сон, Нейробиология, наука, Нейроны, физиология мозга, ликвор
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]