В мини-мозгах обнаружили незрелые клетки в стрессе
Загрузка галереи
Миниатюрные живые модели человеческого мозга могут не отображать реального развития этого органа, пишут ученые в Nature. Хотя мини-мозги содержат множество разных типов клеток, их развитие из предшественников идет не так, как в целом организме. Кроме того, в клетках таких органоидов активнее, чем в настоящем мозге, вырабатываются молекулы-маркеры клеточного стресса.
В 2008 году нейробиологи обнаружили, что эмбриональные стволовые клетки мыши в культуре организуются в трехмерные структуры, которые напоминают головной мозг в миниатюре. Эти структуры (их еще называют органоидами) обладают подобием отделов, и часть клеток в них мигрирует, как при эмбриональном развитии настоящего мозга. В 2013 году другая группа исследователей впервые получила такие органоиды из клеток человека, а позже исследователи научились формировать различные типы органоидов, каждый из которых имитирует какой-то свой отдел мозга.
Ученые из Калифорнийского института в Сан-Франциско и Санта-Крузе и Университета Ага Хана в Карачи (Пакистан) под руководством Арнольда Кригстайна (Arnold R. Kriegstein) проанализировали транскриптомы (совокупность РНК) 189409 отдельных клеток в составе развивающейся коры больших полушарий пяти человеческих эмбрионов на 7–22 неделях развития (соответствует времени нейрогенеза) и 235121 клеток из 37 органоидов, которые имитируют эту кору. Это позволило сравнить активность генов нейронов и элементов глии в настоящем мозге и мини-мозге и посмотреть, как распределены в пространстве каждой структуры функционально неодинаковые клетки.
Загрузка галереи
Хотя в органоидах были представлены все основные типы клеток, их расположение отличалось от того, которе наблюдается в настоящей коре. Функционально сходные нейроны в мини-мозгах редко образовывали группы и были разбросаны по ткани хаотично.
Судя по тому, какие гены интенсивнее всего экспрессировались в клетках органоидов (это определяли по количеству молекул РНК разных типов), в целом нейроны и глия в мини-мозгах менее зрелые, чем в развивающейся коре, и развитие этих клеток не доходит до логического завершения. Если у клеток радиальной глии формирующейся коры можно заметить следы специализации и понять, какие типы нейронов и глии из нее образуются, то с радиальной глией органоидов это было гораздо труднее сделать.
Кроме того, во многих клетках мини-мозгов наблюдалась повышенная экспрессия генов, которые кодируют молекулы, характерные для клеточного стресса: активируют гликолиз (PGK1) и запускают изменения в эндоплазматической сети (ARCN1, GORASP2). Интенсивная работа этих генов не характерна для развивающейся коры больших полушарий. В срезах коры, которые поддерживали в питательной среде неделю, их экспрессия тоже не повышалась, из чего авторы заключили, что клеточный стресс может быть характерной чертой культур нейронов и глии, а также их предшественников.
Интересно, что когда клетки из органоидов подсаживали в кору больших полушарий живой мыши, они завершали созревание, и интенсивность выработки маркеров клеточного стресса в них снижалась. Вероятно, стресс каким-то образом провоцируется окружением мозговых органоидов.
Ученые делают заключение, что исследовать развитие мозга человека и в частности коры больших полушарий на органоидах нужно с осторожностью, учитывая все различия в формировании этих структур. То же касается и исследований формирования связей между нейронами, и моделирования болезней нервной системы на мозговых органоидах.
Эти рекомендации будут становиться все актуальнее, учитывая, что число работ на миниатюрных моделях мозга растет. На органоидах, которые имитируют различные части мозга, уже изучали эффекты мутаций, характерных для неандертальцев и добивались электрической активности клеток как у недоношенных детей.
Светлана Ястребова
Изучать на них магниторецепцию не получится
Исследователи из Великобритании и Германии на протяжении шести лет воздействовали суммарно почти на сто тысяч дрозофил магнитным полем и выяснили, что они не меняют свое поведение под действием этого поля и в целом никак на него не реагируют. Это опровергло результаты предыдущих экспериментов, где чувствительность мух к магнитному полю была доказана, — прошлые результаты ученые посчитали ложноположительными. Работа опубликована в Nature. Некоторые животные обладают магниторецепцией — например, перелетные певчие птицы мигрируют в основном по ночам и ориентируются по магнитному полю земли. Точно не ясно, как работает их внутренний компас, но основная гипотеза такая: в сетчатке из глаз есть криптохромы — светочуствительные белки, которые реагируют на магнитное поле, а в мозге — нейроны, которые обрабатывают информацию, поступающую с магниторецепторов сетчатки. Такую же способность ученые обнаружили и у летучих мышей. По некоторым данным, магнитное поле чувствуют и плодовые мушки дрозофилы (Drosophila). Криптохромы из их сетчатки реагировали на магнитное поле в экспериментах in vitro, а в других исследованиях [1, 2, 3] под действием магнитного поля их поведение менялось. Поэтому мух иногда используют как модельный организм, чтобы изучать магниторецепцию: геном дрозофил можно редактировать, и эксперименты над ними ставить проще, чем над птицами. Марко Бассетто (Marco Bassetto) из Ольденбургского университета имени Карла фон Осецкого и его коллеги из Великобритании и Германии решили проверить, на самом ли деле дрозофилы чувствительны к магнитному полю. Они воспроизвели несколько экспериментов на гораздо большей выборке и в более контролируемых условиях. Сначала они запустили мух в Т-образный лабиринт, к одному из рукавов которого было приложено магнитное поле с индукцией около 500 микротесла. Установку разместили в электромагнитно-экранированной камере в деревянном здании — в итоге фоновые радиочастотные поля сильно ослаблялись и не должны были повлиять на эксперимент. Дрозофил тестировали группами по 100 особей; предполагалось, что наивные мухи будут избегать рукава с магнитным полем (как это было в ранних экспериментах), а если научить их ассоциировать поле с наградой в виде сахарозы, то они станут предпочитать этот рукав. Однако ничего из этого не подтвердилось: и наивные, и обученные дрозофилы выбирали оба рукава с одинаковой частотой. А вот в контрольных экспериментах мухам удалось связать награду и запах. Всего ученые провели почти 1000 тестов и протестировали таким образом 97650 мух. Затем они поместили дрозофил в вертикальные пластиковые трубки, помещенные между двойными катушками. К одной из трубок было приложено магнитное поле с индукцией 500 микротесла, а к другой — нет. В таких трубках мухи обычно поднимаются, сопротивляясь земному притяжению, — это называется отрицательным геотаксисом (личинки некоторых насекомых, напротив, стремятся вниз, к земле). В предыдущих исследованиях под действием тусклого синего цвета и магнитного поля мухи поднимались медленнее. Здесь же ученые не обнаружили никакой разницы в скорости подъема мух в зависимости от наличия магнитного поля. Однако, как и в раннем эксперименте, под действием красного цвета дрозофилы поднимались медленнее, чем под действием синего (магнитное поле все еще не влияло). Затем ученые усовершенствовали экспериментальную установку и проверили в ней магнитные поля 0,90, 220 и 300 микротесла. Однако и тогда магнитное поле не влияло на скорость подъема насекомых. В предыдущих исследованиях также сообщалось, что магниточувствительность мух проявляется под действием более коротких волн света. Авторы проверили и это, но и здесь дрозофилы никак не реагировали. Авторы заключили, что дрозофилы, судя по всему, не способны ощущать магнитные поля околоземной силы (ниже 500 микротесла). А статистический анализ показал, что результаты ранних экспериментов были, вероятнее всего, ложноположительными: на это указывают небольшие выборки и низкая статистическая мощность. Таким образом, изучать магниторецепцию лучше на ночных мигрирующих певчих птицах. А ранее исследователи из Канады и США выяснили, что нейроны птиц, реагирующие на магнитное поле, активны только во время миграции. Во время ночного отдыха их активность снижается.