Главными «проводами» мозга традиционно считались нейроны и аксоны — длинные отростки, по которым передаются электрические сигналы. Астроциты, напротив, воспринимались как обслуживающий персонал нервной системы: они поддерживают химический баланс, снабжают нейроны питательными веществами, помогают убирать «отходы» и участвуют в защите тканей. Однако в последние годы стало ясно, что их роль гораздо сложнее.
Астроциты соединяются через так называемые щелевые контакты — крошечные межклеточные каналы, через которые могут проходить небольшие молекулы и сигналы. Эти связи необходимы для работы памяти, синаптической пластичности и нормального развития мозга. Правда, до сих пор непонятно, образуют ли астроциты единственную сплошную сеть по всему мозгу, или же существуют отдельные специализированные маршруты между конкретными зонами.
Чтобы расставить все точки над i, ученые из Нью-Йоркского университета (США) разработали новый метод «подсветки» астроцитарных сетей. Для этого они создали вирусный инструмент, который заставлял астроциты производить модифицированный белок connexin 43 — основной строительный элемент щелевых контактов.
К нему прикрепили фермент TurboID, помечающий молекулы биотином, которые проходят через межклеточные каналы. Подход позволил увидеть, какие клетки входят в одну сеть: зараженные астроциты определяли по специальной метке на белке, а связанные с ними соседние клетки — по наличию биотинилированных молекул.
Затем исследователи ввели вирус в определенные зоны мозга мышей — например, в моторную кору, префронтальную кору и гипоталамус — и наблюдали трехмерную картину с помощью флуоресцентной микроскопии плоскостного освещения (light-sheet microscopy).
Результат оказался неожиданным: астроциты не образовывали хаотичную или сплошную сеть. Вместо этого присутствовали отдельные маршруты, которые выборочно соединяли области мозга и при этом обходили соседние области. Некоторые сети были локальными и оставались внутри одного региона, а другие тянулись на большие расстояния, связывая сразу несколько участков и даже оба полушария мозга.
Причем эти схемы нередко отличались от уже известных нейронных путей. Например, зоны, в которых не наблюдалось прямой нейронной связи, могли объединяться через астроциты. Это указывает на существование параллельной системы коммуникации, работающей путем переноса молекул и метаболической поддержки.
Авторы исследования, опубликованного в журнале Nature, предположили, что такая сеть перераспределяет ресурсы между активными и менее активными областями мозга. Астроциты, к примеру, могут передать антиоксиданты или энергетические молекулы туда, где нейроны сталкиваются с повышенной нагрузкой. Во время болезни эта же система помогает рассеивать токсичные вещества или продукты распада, снижая локальный стресс тканей.
Сами сети оказались не статичными. К такому выводу ученые пришли, применив классическую модель нейропластичности: у молодых мышей на одной стороне морды регулярно подстригали усы, тем самым снижая сенсорную нагрузку на соответствующую область коры. Выяснилось, что после такого сенсорного лишения астроцитарная сеть заметно уменьшалась: число связанных клеток снижалось, а дальние связи, например, с префронтальной корой, практически исчезали.
Выходит, астроциты перестраивают свои соединения в ответ на опыт — почти так же, как это делают нейроны. Проще говоря, пластичность мозга, судя по всему, зависит не только от нейронных синапсов, но и от организации связей между глиальными клетками (вспомогательные клетки нервной ткани, обеспечивающие функционирование нейронов).
Таким образом, ученые вновь показали, что мозг устроен сложнее: помимо нейронной электропроводки, в нем существует астроцитарная сеть, способная связывать удаленные области, поддерживать обмен веществ и меняться под влиянием нового опыта. Возможно, именно с ее помощью удастся лучше понять механизмы памяти, старения мозга и развития нейродегенеративных заболеваний.