Выделение речи из шума приписали медиальному ядру трапециевидного тела
Нейрофизиологи обнаружили, что небольшая клеточная структура в мозге под названием медиальное ядро трапециевидного тела играет важную роль в обработке звуковых стимулов. Клетки этого ядра — наиболее заметный источник тормозных сигналов в стволе мозга, нейронные сети которого ответственны за распознавание локализации источника звука. Именно нейроны медиального ядра трапециевидного тела, по-видимому, помогают базальным структурам мозга отличать тональное звучание от простого шума. Причем ключевое действие в этом процессе совершает нейромедиатор ацетилхолин. Эксперимент, проведенный на мышах, позволяет предположить, что аналогичная структура в мозге человека помогает выделить речь из потока шума. Об исследовании рассказывается в The Journal of Neuroscience.
Медиальное ядро трапециевидного тела — это небольшая группа клеток, входящая в состав верхнего оливарного комплекса (SOC), через который проходят как восходящие, так и нисходящие слуховые нейронные цепи. Эта структура мозга всех млекопитающих хорошо изучена как область, которая обрабатывает информацию о местоположении источника звука. Скопление нейронов медиального ядра трапециевидного тела с высокой точностью преобразует возбуждение в торможение: клетки принимают вызванное звуком возбуждение от контралатерального ядра улитки и реагируют на это торможением, распространяя его в другие базальные структуры.
Возбуждение, приходящее на клетки медиального ядра трапециевидного тела, передается с помощью известного и хорошо изученного нейромедиатора ацетилхолина. Его основной источник в мозге — нейроны базальных ядер которые активируются во время концентрации внимания или при ориентировочной реакции на неожиданные стимулы, в том числе звуковые. Ранее феномен действия ацетилхолина подробно изучался на уровне неокортекса, в котором происходят самые сложные вычисления в мозге. Однако, влияние этого нейромедиатора на более низких уровнях, таких как ствол мозга, исследовалось не столь широко. Тем более, ничего не было известно, как воздействие ацетилхолина на клетки медиального ядра влияет на кодирование звуковых сигналов в мозге.
Коллаборация ученых из Лихайского университета Пенсильвании, Северо-восточного Медицинского университета Огайо и Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана под руководством Чао Чжана (Chao Zhang) смогла впервые изучить, как ацетилхолин влияет на кодирование акустической информации в медиальном ядре трапециевидного тела. Ученые продемонстрировали, что в дополнение к тормозным сигналам, идущее при помощи ацетилхолина возбуждение способствует тому, что клетки по-разному реагируют на тональное звучание и на стимул в виде простого шума, что и способствует обработке наиболее значимых стимулов, таких как речь. В исследовании показаны новые, ранее не учитываемые анатомические проекции, по которым обеспечивается доставка ацетилхолина в медиальное ядро трапециевидного тела.
В рамках эксперимента ученые регистрировали реакции единичных нейронов медиального ядра трапециевидного тела на акустические стимулы у 26 взрослых песчанок (маленьких грызунов вида Meriones unguiculatus) in vivo, используя внеклеточную запись с микроэлектрода (single unit recording). Для этого они хирургически погружали электрод вглубь мозга животных, точно подводя его к нужным структурам. Кроме того, ученые присоединяли к электроду пятиствольную микропипетку, с помощью которой к клеткам-мишеням доставляли различные фармакологические агенты. Эти вещества выступали в качестве обратимых антагонистов к двум типам рецепторов к ацетилхолину (α7 и α4β2), которые в нужный момент блокировали их действие. Далее, клеточный ответ регистрировали при звучании тонального, либо шумового стимула. Таким образом ученым удалось зафиксировать, что успешный клеточный ответ на тональное звучание стимула целиком зависит модуляции, вызванной ацетилхолином. При этом применение антагонистов ацетилхолина никак не влияло на спонтанную активность клеток, которая хорошо заметна при воздействии шумового акустического стимула или при отсутствии любых звуковых раздражителей.
На финальной стадии эксперимента ученые окрашивали раствором фторида золота клетки исследуемых структур, также доставляя краситель при помощи микропипетки, и готовили контрольный гистологический препарат из тканей мозга, чтобы подтвердить точность попадания в клетки-мишени.
Данные проведенного исследования подтверждают четыре общих вывода относительно холинергической модуляции в медиальном ядре трапециевидного тела. Во-первых, ученые выявили две новые холинергические проекции в эту область мозга: основная, идущая с обеих сторон от тегментума (PMT) и второстепенные двусторонние проекции от верхнего оливарного комплекса (SOC) — ранее об этих связях в данных структурах не было известно. Во-вторых, исследование показало, что ацетилхолин вносит вклад ответа на надпороговые стимулы, но не влияет на пороговые значения или частоту спонтанных спайков. В-третьих, именно ацетилхолин усиливает различение уровня сигналов при интенсивностях, близких к пороговым. И наконец в четвертых, — и это наиболее важный вывод ученых, — действие ацетилхолина улучшает кодирование тональных звуковых сигналов, позволяя выделять их из шума.
Относительно последнего, четвертого вывода, авторы статьи осторожно предлагают метафору, которая, по их мнению, помогает лучше понять функционирование холинергической системы в описываемых структурах. По словам ученых, работу ацетилхолина можно сравнить с тем, как «прием радиосигнала на антенне улучшается, если мы слегка перемещаем саму антенну, тем самым устраняя создающее шум статическое электричество на ее поверхности». По-видимому, ацетилхолиновая модуляция в структурах медиального ядра трапециевидного тела действует схожим образом, позволяя нейронам обнаруживать слабые сигналы в потоке шума.
Ученые уверены, что их открытие может пролить свет на то, как работа нейромедиаторов в головном мозге участвует в вычислительных процессах слуховых цепей ствола мозга, а также поможет узнать, как в мозге обрабатывается сенсорная информация иного типа. Например, они допускают, что описанный механизм функционирования медиального ядра трапециевидного тела в мозге песчанок может быть аналогичным механизму выделения речи из шума в человеческом мозге.
Нейромедиатор ацетилхолин производит много полезной работы в мозге. Например, ранее мы писали о том, что он активно участвует в процессах засыпания и пробуждения. Подробнее о том, как функционируют ацетилхолиновые рецепторы, можно прочитать в нашем материале «"Новичок" и все-все-все».
Алексей Козлов
Исследование провели на личинках дрозофил
Японские исследователи в экспериментах с дрозофилами установили механизм влияния на нейропластичность фермента убиквитинлигазы, функции которого нарушены при синдроме Ангельмана. Как выяснилось, этот фермент в пресинаптических окончаниях аксонов отвечает за деградацию рецепторов к костному морфогенетическому белку, за счет чего устраняются ненужные синапсы в процессе развития нервной ткани. Отчет о работе опубликован в журнале Science. Синдром Ангельмана представляет собой нарушение развития, которое проявляется умственной отсталостью, двигательными нарушениями, эпилепсией, отсутствием речи и характерной внешностью. Его причиной служат врожденные дефекты фермента убиквитинлигазы Е3А (Ube3a), который присоединяет к белкам убиквитин, влияющий на их судьбу в клетке, в том числе деградацию. При синдроме Ангельмана сниженная активность Ube3a нарушает синаптическую пластичность в процессе нейроразвития, в частности элиминацию ненужных синапсов. Повышенная активность этого фермента, напротив, приводит к неустойчивости сформировавшихся синапсов и, как следствие, к расстройствам аутического спектра. Исследования постсинаптических функций Ube3a показали, что он играет роль в нейропластичности, в частности формировании дендритных шипиков. При этом, по данным иммунохимических и электронно-микроскопических исследований, в коре мозга мыши и человека этот фермент экспрессируется преимущественно пресинаптически. Учитывая высокую эволюционную консервативность Ube3a, сотрудники Токийского университета под руководством Кадзуо Эмото (Kazuo Emoto) использовали для изучения его пресинаптических функций сенсорные нейроны IV класса по ветвлению дендритов (C4da) личинок плодовой мухи дрозофилы. Число дендритов этих нейронов резко сокращается (происходит их прунинг) в первые 24 часа после образования куколки, а на последних стадиях ее развития дендриты разветвляются вновь уже по взрослому типу. Используя флуоресцентные метки различных биомаркеров нейронов, исследователи показали, что в ходе этого процесса ремоделированию подвергаются не только дендриты, но и пресинаптические окончания аксонов. Попеременно отключая разные компоненты участвующих в этих процессах молекулярных комплексов, ученые убедились, что для элиминации синапсов под действием сигнального пути гормонов линьки экдизонов необходима только Ube3a, но не куллин-1 E3-лигаза, участвующая в прунинге дендритов. Дальнейшие эксперименты с применением флуоресцентных меток и РНК-интерференции показали, что Ube3a активно транспортируется из тела нейрона в аксон двигательным белком кинезином со средней скоростью 483,8 нанометра в секунду. Создав мутантов с дефектами в различных участках Ube3a, авторы работы выяснили, что связанные с синдромом Ангельмана мутации D313V, V216G и I213T в среднем домене фермента, содержащем тандемные полярные остатки (TPRs), препятствуют его связи с кинезином и транспорту из тела нейрона в аксон. Как следствие, нарушается элиминация ненужных синапсов. Изменения в N-концевом цинк-связывающем домене AZUL и C-концевом HECT влияли на эти процессы в значительно меньшей степени. Ube3a принимает участие в убиквитинировании многих клеточных белков. Чтобы выяснить, какой из них опосредует элиминацию синапсов, авторы работы вызывали в нейронах избыточную экспрессию разных белков-мишеней Ube3a с целью насытить этот фермент и таким образом заблокировать его действие. Оказалось, что выраженные дефекты элиминации синапсов возникают при избыточной экспрессии тиквеина (Tkv) — пресинаптического рецептора к костному морфогенетическому белку (ВМР); прунинг дендритов при этом не затрагивается. Исследование нормальной экспрессии Tkv с помощью флуоресцентных меток показало, что ее уровень значительно снижается через восемь часов после начала формирования куколки. У мутантов, лишенных Ube3a, этого не происходило. Выключение гена tkv или другого компонента сигнального пути BMP — mad — восстанавливало элиминацию синапсов у таких мутантов, то есть за нее отвечает именно этот сигнальный путь. Это подтвердили, восстановив элиминацию синапсов у мутантов без Ube3a антагонистом BMP LDN193189, а также экспрессией белков Glued-DN или Dad, которые подавляют сигнальную активность Mad. Искусственное повышение пресинаптической экспрессии Ube3a в нейронах C4da вызывало массированную преждевременную элиминацию сформировавшихся синапсов и общее уменьшение синаптической передачи у личинок третьего возраста. Это происходило из-за чрезмерного подавления сигнального пути BMP. Таким образом, дефекты убиквитинлигазы Ube3a, лежащие в основе синдрома Ангельмана, приводят к избыточной активности сигнального пути BMP, вследствие чего не происходит устранение ненужных синапсов в процессе развития нервной системы. Этот сигнальный путь может послужить мишенью для разработки новых методов лечения этого синдрома, а возможно и расстройств аутического спектра, считают авторы работы. В 2020 году американские исследователи сообщили, что им удалось предотвратить развитие синдрома Ангельмана у мышей с мутацией материнской копии гена UBE3A. Для этого они с помощью системы CRISPR/Cas9 инактивировали длинную некодирующую РНК UBE3A-ATS, которая подавляет экспрессию отцовской копии UBE3A.