В мозге крыс нашли выключатель неудержимой тяги к кокаину
За компульсивное употребление вещества отвечает проекция орбитофронтальной коры на переднюю островковую кору
Китайские исследователи в ходе экспериментов на крысах показали, что склонность к компульсивному употреблению кокаина связана с повышенной активностью проекции орбитофронтальной коры мозга на переднюю островковую кору. Воздействие на этот нейрональный контур позволяло управлять навязчивым стремлением животных к получению препарата. Статья об этом появилась в журнале Science Advances.
Компульсивное употребление — непреодолимая тяга к приему вещества несмотря на возможные негативные медицинские, социальные и правовые последствия — неотъемлемый компонент зависимости. По данным эпидемиологических исследований, лишь часть потребителей психоактивных препаратов соответствует этому диагностическому критерию, что указывает на индивидуальные различия в развитии аддикции. Схожая ситуация наблюдается в экспериментах по самовведению веществ у животных — когда дозу препарата начинают сопровождать болевым стимулом, примерно две трети отказываются от него, но остальные продолжают употребление невзирая на боль, что напоминает зависимое поведение у людей. Отвечающие за это нейрофизиологические механизмы до сих пор были мало изучены.
Чтобы разобраться в этом вопросе, сотрудники различных научных центров Китая под руководством Цзе Ши (Jie Shi) из Пекинского университета обучили 91 крысу самовведению кокаина. К 12-му дню животные нажимали на рычаг, связанный с инфузионной системой, в среднем около 80 раз в сутки. После этого введение препарата стали сопровождать болезненными ударами тока в стопу. После этого 66 процентов крыс быстро снизили потребление кокаина (их определили как чувствительных), а 34 процента продолжили самовведение, схожее с компульсивным поведением у людей (устойчивые).
После этого исследователи по экспрессии фактора транскрипции c-Fos оценивали у обеих групп животных нейрональную активность в различных участках мозга, для которых по имеющимся данным была показана связь с зависимостями от психоактивных веществ. В группе устойчивых оказалась значительно выше активность передней островковой коры, орбитофронтальной коры, прилежащего ядра, дорсолатеральной части полосатого тела и центральной части миндалевидного тела.
Передняя островковая кора наряду со связанными с ней структурами отвечает за восприятие, эмоции, когнитивные функции и оценку значимости. Ранее было показано, что она модулирует компульсивное переедание, поэтому исследователи уделили ей особое внимание. Они ввели в ее нейроны флуоресцентный индикатор ионов кальция GCaMP6f и с помощью волоконной фотометрии записывали их активность. Она оказалась значительно повышенной у устойчивых крыс, получающих кокаин во время болевой стимуляции.
На следующем этапе экспериментов исследователи вводили в нейроны передней островковой коры искусственные ингибиторные мускариновые рецепторы hM4D с флуоресцентным красителем mCherry. Эти рецепторы включаются только при введении животному клозапин-N-оксида, что позволяет подавлять активность искомых нейронов в нужный момент времени. С помощью этой методики авторы работы выяснили, что при ингибировании нейронов передней островковой коры устойчивые крысы потребляют меньше кокаина и начинают реагировать на болевое наказание. Поведение чувствительных животных при таком же воздействии не изменяется.
Аналогичный эксперимент с использованием искусственных активирующих рецепторов hM3D показал, что стимуляция нейронов передней островковой коры повышает компульсивное потребление кокаина — 92 процента крыс из основной группы оказались устойчивыми к болевым стимулам. В контрольной группе, получившей вирусный вектор с красителем без гена рецептора, такие животные составили 36 процентов.
Используя рецепторы hM4D и hM3D с промотором CaMKIIα, исследователи убедились, что активация и подавление глутаматергических нейронов передней островковой коры соответственно увеличивает и уменьшает компульсивное потребление кокаина.
После этого авторы работы использовали ретроградное отслеживание с помощью субъединицы B холерного токсина и антероградное отслеживание с помощью зависимой от рекомбиназы Cre экспрессии mCherry. Эти эксперименты показали, что передняя островковая кора получает непосредственную проекцию от орбитофронтальной коры. Серия экспериментов с использованием различных активирующих и ингибирующих искусственных рецепторов и фиксации потенциалов отдельных нейронов методом пэтч-кламп показала, что нейрональный контур, связывающий эти мозговые структуры специфичен и достаточен для регуляции потребления кокаина и переключения его со сдержанного на компульсивное и наоборот.
По мнению авторов исследования, обнаруженный ими нейрофизиологический механизм может стать одной из мишеней для терапевтического воздействия при зависимости от психоактивных препаратов.
Полученные результаты дополняют проведенные ранее многочисленные исследования нейробиологической основы кокаиновой зависимости. Так, например, было показано, что ее модулируют серотониновые 5-HT1B-рецепторы в проекции орбитофронтальной коры на дорсальную часть полосатого тела, что ее подкрепляет дофаминилирование гистона H3 в нейронах вентральной области покрышки мозга, а также что употребление каннабиноидов в подростковом возрасте увеличивает чувствительность мозга крыс к кокаину.
Выросли только эмбрионы с крысиным сердцем — но и они не дожили до рождения
Испанские исследователи отработали методику создания химерных мышей, у которых сердечная мышца и стенки сосудов построены из клеток другой особи. Эта технология сработала для химеры из двух мышей, на свет появились живые и здоровые детеныши. Но воспроизвести ее для химеры мышь-крыса не удалось. Возможно, проблема в том, что развитие сосудов у мыши и крысы отличается на молекулярном уровне. Работа опубликована в журнале Developmental Cell. Чтобы решить проблему с нехваткой донорских органов, можно научиться их выращивать внутри других животных. Технология давно известна — она называется комплементация бластоцисты или эмбриона. Нужно взять животное, удалить из его половых клеток или зиготы ген, ответственный за работу какого-нибудь органа, вырастить эмбрион (например, до стадии бластоцисты) — и подсадить в него эмбриональные стволовые клетки другого вида (например, человека). Если в результате получится жизнеспособный организм с нужным органом, то этот орган точно будет человеческим. Но с этой технологией пока немало сложностей (о них мы подробно писали в материале «О свиньях и людях»). В том числе такая: допустим, мы научились выращивать в организме животного какую-нибудь человеческую ткань, например мышцу. Но кроме собственно мышечных клеток в ней есть и другие типы, в том числе соединительно-тканные, например эндотелий (выстилка сосудистых стенок). Они тоже могут вызвать иммунный ответ и отторжение после пересадки. Значит, нужно удалить из организма животного сразу несколько генов — чтобы требуемый орган полностью состоял из человеческих клеток. Группа исследователей под руководством Шавьера Арангурена (Xabier Aranguren) из Университета Наварры попробовала решить эту задачу на примере сердца и вырастить химеру, у которой весь организм будет мышиным, а мышечные клетки сердца и стенки сосудов — крысиными. Исследователи пошли нестандартным путем: они не стали выключать гены, которые отвечают за развитие сердца и сосудов — в экспериментах их предшественников это получалось не очень успешно, — а заставили погибнуть мышиные клетки, в которых эти гены работают. Сначала авторы работы создали зародышей, у которых в клетках, где работал ген Nkx2.5 — регулятор развития сердца, — начинался синтез дифтерийного токсина. Под действием токсина клетки погибали и сердце не развивалось. В некоторые из этих зародышей на стадии восьми клеток ввели эмбриональные стволовые клетки мыши с флуоресцентным маркером. Родились живые здоровые мышата с бьющимися сердцами: сердечная мышца в них была построена только из светящихся клеток, а эндотелий состоял из смеси «хозяйских» и «донорских» клеток. Потом ту же процедуру повторили с другой линией мышей и геном Tie2 — он начинает работать на девятый день развития в предшественниках эндотелия и кроветворных клеток. Таким образом исследователи получили эмбрионы без эндотелия. Они не были жизнеспособны и погибли к пятнадцатому дню внутриутробного развития. И точно так же этот дефект развития компенсировали с помощью эмбриональных стволовых клеток: зародыши, которым досталась инъекция светящихся клеток, развивались нормально по меньшей мере до пятнадцатого дня. Наконец, исследователи получили зародышей-двойных мутантов: у них токсин и клетки-предшественники сердечной мышцы, и будущий эндотелий. В такие эмбрионы на стадии восьми клеток ввели стволовые клетки мыши. Из 1024 экспериментальных эмбрионов получилось 11 живых мышат, у которых и сердечная мышца, и эндотелий были «донорскими», и еще 21 мышонок, у которого «донорским» было только сердце. А с крысиными стволовыми клетками так не сработало. У исследователей получилось всего 19 химерных эмбрионов без гена Nkx2.5 (точнее, без клеток, которые его экспрессируют) и с зачатком сердца крысы — но они перестали развиваться после десятого дня. И всего два химерных эмбриона без клеток с Nkx2.5 и Tie2 — но у них не сформировались ни сердце, ни сосуды. Таким образом, авторы работы, с одной стороны, отработали методику двойной внутривидовой комплементации — и показали, что возможно вырастить мышь с сердцем и стенками сосудов от другой особи. Но, с другой стороны, наткнулись на барьер для межвидовой комплементации. Анализируя свою неудачу, они предположили, что эндотелий у мышей и крыс как-то отличается по своим сигнальным молекулам или набору клеточных контактов с окружающими тканями. Из-за этого крысиные сосуды могли не вырасти в организме мыши. И это же могло бы объяснить, почему мышиные эмбрионы с крысиным сердцем остановились в развитии: возможно, нарушенное взаимодействие между крысиными мышечными клетками и мышиными сосудами лишило растущее сердце кислорода. Неудача с крысиным сердцем означает, что до других межвидовых химер биологи доберутся нескоро. В других экспериментах химеры мышь-крыса часто вырастают здоровыми, а вот с приматами технология пока совсем не отработана. Только недавно ученые впервые добились рождения химерной обезьяны — в ее теле были как обычные обезьяньи клетки, так и модифицированные, — но и она умерла вскоре после рождения.
