Нейроны ощутили сердцебиение механорецепторами и синхронизировались с ним

Немецкие и американские исследователи провели серию экспериментов на крысах и обнаружили, что нейроны обонятельных луковиц синхронизируют свои осцилляции с сердцебиением. Этот процесс был связан не с синаптической передачей, а с восприятием изменений давления механорецепторами клеток. Отчет о работе опубликован в журнале Science.

Электрические колебания играют фундаментальную роль в функционировании мозга. Различные их типы отражают работу локальных и общемозговых нейрональных сетей, они могут возникать спонтанно или быть связанными с обработкой сенсорной информации и когнитивными процессами. Ритмичная работа внутренних органов (сердцебиение, дыхание, перистальтика желудочно-кишечного тракта) может модулировать активность нейронов. Это происходит за счет передачи в мозг интероцептивных сигналов от периферических рецепторов (например, слизистая оболочка носа ощущает дыхание; синусы сердца, аорты и сонных артерий — кровяное давление и пульс) через сложные мультисинаптические нервные пути. Подобная восходящая модуляция переднего мозга связана с вызванными сердцебиением потенциалами, которые возникают в коре через 300 и более миллисекунд после зубца R на электрокардиограмме, что соответствует задержке сигнала при прохождении по модуляторному пути через ядро солитарного тракта.

Вероника Эггер (Veronica Egger) из Регенсбургского университета участвовала в разработке крысиной модели для изучения автономной работы обонятельных луковиц (структуры переднего мозга, получающей сигналы непосредственно от обонятельных нервов). Созданный при ее участии носомозговой препарат (nose-brain preparation, NBP) содержит только голову животного с трепанированным черепом (передний мозг кроме обонятельных луковиц удален, проведена преколликулярная децеребрация) и грудную клетку без сердца и легких. Жизнеспособность препарата поддерживается перфузией искусственной цереброспинальной жидкостью с кислородом через канюлю в аорте с помощью перистальтического насоса, а подтверждается импульсацией диафрагмального нерва, соответствующей дыхательным движениям. Подобная модель позволяет электрофизиологически регистрировать ответ обонятельных луковиц на пахучие стимулы, подаваемые к носу, без помех от дыхания и восходящих нервных импульсов из внутренних органов.

Несмотря на это, в ходе экспериментов исследователи зарегистрировали спонтанные медленные осцилляции потенциала локального поля в обонятельных луковицах. Учитывая, что в нейронах этого и других отделов мозга присутствуют механочувствительные ионные каналы, Эггер с коллегами из Германии и США предположила, что эти осцилляции могут быть ответом на циклическую работу насоса, а если так, то у мозга может быть способность к не опосредованной нервными путями интероцепции за счет перемен давления при сердцебиении. Чтобы проверить эту гипотезу, они изготавливали NBP и регистрировали электрическую активность в толще слоя митральных клеток обонятельных луковиц.

Оказалось, что пульсации перистальтического насоса, примерно соответствующие по частоте сокращениям сердца и вызывающие перепады давления от примерно 40 до 80 миллиметров ртутного столба, четко совпадали с медленными осцилляциями потенциала локального поля. Эффект был стоек и локализован в слое митральных клеток. При добавлении в перфузионый контур дополнительной емкости, снижающей перепады давления, эти осцилляции исчезали. То же происходило при гипоксии, то есть для появления электрических импульсов необходима функциональная нервная ткань, а значит, они происходят именно из нее. Анализ гармоник осцилляций показал, что они не связаны с взаимодействиями синаптических сетей.

Эксперименты с блокатором потенциалзависимых натриевых каналов (Na_v) лидокаином, непрямым ингибитором механочувствительных рецепторов (Piezo) GsMTx4 (механотоксином 4 яда паука Grammostola spatulata) и блокатором каналов транзиторного рецепторного потенциала типа С (TRPC) SKF-96365 подтвердили, что барорецепторные осцилляции потенциала локального поля происходят за счет механорецепторов (с наибольшей вероятностью Piezo2, исходя из формы электрических волн) и не зависят от синаптического ввода. Дополнительные опыты показали, что спонтанная активность митральных клеток синхронизируется с такими осцилляциями.

Выяснив это, исследователи перешли к одновременной регистрации электрокардиограммы, назального потока воздуха и электрической активности нейронов обонятельных луковиц у живых бодрствующих мышей. Оказалось, что сердцебиение действительно может модулировать спайк-активность в этих мозговых структурах: около 15 процентов нейронов следовали его ритму с задержкой в пределах 20 миллисекунд — значительно быстрее, чем при прохождении сигнала по нервным путям. Этот эффект был гораздо слабее, чем известная синхронизация нейрональной активности с дыханием, что может объяснить, почему его не зарегистрировали ранее.

Полученные результаты свидетельствуют о существовании быстрой барорецепторной интероцепции сердцебиения, которая может модулировать перцепцию в обонятельных луковицах и, возможно, других участках мозга, потенциально влияя на когнитивные функции, настроение и тонус автономной нервной системы, заключают авторы работы.

Ранее американские исследователи показали, что искусственно ускоренное сердцебиение повышает у мышей тревожность и снижает склонность к риску, причем отвечает за это активность нейронов задней части островковой коры мозга.