Недавно опубликованное исследование Университета штата Колорадо отвечает на фундаментальные вопросы о клеточных связях в мозге, которые могут быть полезны при разработке методов лечения неврологических заболеваний, таких как аутизм, эпилепсия или шизофрения.
Работа, освещенная в Трудах Национальной академии наук, фокусируется на том, как нейроны мозга передают информацию друг другу через узкоспециализированные субклеточные структуры , называемые синапсами . Эти тонкие структуры играют ключевую роль в контроле многих процессов в нервной системе посредством электрохимической передачи сигналов, а патогенные мутации в генах, нарушающие их развитие, могут вызывать серьезные психические расстройства.
Несмотря на их важную роль в соединении нейронов в различных областях мозга, способ формирования и функционирования синапсов до сих пор не совсем понятен, говорит доцент Сохам Чанда.
Чтобы ответить на этот фундаментальный вопрос, Чанда и его команда из кафедры биохимии и молекулярной биологии сосредоточились на конкретном и важном типе синапса, называемом ГАМКергическим. Он сказал, что исследователи-неврологи уже давно выдвинули гипотезу, что эти синапсы могут образовываться из-за высвобождения ГАМК и соответствующей сенсорной активности между двумя нейронами, находящимися рядом. Однако исследования, представленные в статье, теперь показывают, что эти синапсы могут начать развиваться автономно и независимо от нейрональной связи, главным образом благодаря поддерживающему действию белка под названием гефирин. Эти результаты проясняют ключевые механизмы образования синапсов, что может позволить исследователям сосредоточиться на дисфункции синапсов и вариантах лечения.
Команда Чанды использовала человеческие нейроны, полученные из стволовых клеток, для разработки модели мозга, которая могла бы тщательно проверить эти взаимосвязи. Используя инструмент редактирования генов под названием CRISPR-Cas9, они смогли генетически манипулировать системой и подтвердить роль гефирина в процессе формирования синапсов.
«Наше исследование показывает, что даже если пресинаптический нейрон не высвобождает ГАМК, постсинаптический нейрон все равно может собрать воедино необходимые молекулярные механизмы, подготовленные для восприятия ГАМК», — сказал Чанда. «Мы использовали инструмент редактирования генов, чтобы удалить белок гефирин из нейронов, что в значительной степени уменьшило эту автономную сборку синапсов, подтверждая его важную роль независимо от нейронной коммуникации».
Использование стволовых клеток для углубления понимания формирования нейронов и синапсов
Нейробиологи традиционно использовали системы грызунов для изучения синаптических связей в мозге. Хотя это и дает подходящую модель, Чанда и его команда были заинтересованы в тестировании свойств синапсов в клеточной среде человека, которые в конечном итоге можно было бы легче использовать в лечении.
Чтобы добиться этого, его команда культивировала человеческие стволовые клетки для формирования мозговых клеток , которые могли бы имитировать свойства человеческих нейронов и синапсов. Затем они провели обширную визуализацию этих нейронов с высоким разрешением и отследили их электрическую активность, чтобы понять синаптические механизмы.
Чанда сказал, что несколько мутаций в белке гефирина связаны с неврологическими расстройствами, такими как эпилепсия, которая изменяет возбудимость нейронов в человеческом мозге. Это делает понимание его основной клеточной функции важным первым шагом на пути к лечению и профилактике.
«Теперь, когда мы лучше понимаем, как эти синаптические структуры взаимодействуют и организуются, следующим вопросом будет выяснение того, как дефекты в их отношениях могут привести к заболеванию, и определение способов прогнозирования этого процесса или вмешательства в него», — сказал он.