Мечта о анабиозе давно пленила человеческое воображение, отразившись в бесчисленных произведениях мифологии и художественной литературы, от короля Артура и Спящей красавицы до Капитана Америки и Хана Соло. Эффективно останавливая само время для человека, состояние стазиса обещает сделать возможным восстановление смертельных травм, продление жизни и возможность путешествовать к далеким звездам.
Хотя приостановленная анимация может показаться фантастикой, поразительно разнообразная жизнь уже достигла своей версии. Благодаря такому поведению, как спячка, такие животные, как медведи, лягушки и колибри, могут пережить суровые зимы, засуху, нехватку продовольствия и другие экстремальные условия, фактически впадая в биологический застой, когда метаболизм, частота сердечных сокращений и дыхание замедляются до ползания мурашек, а температура тела падает.
Теперь нейробиологи Гарвардской медицинской школы обнаружили популяцию нейронов в гипоталамусе, которые контролируют поведение, подобное гибернации, или оцепенение, у мышей, впервые выявив нейронные цепи, которые регулируют это состояние.
Сообщая в Nature 11 июня, команда продемонстрировала, что при стимуляции этих нейронов мыши впадают в оцепенение и могут оставаться в таком состоянии в течение нескольких дней. Когда активность этих нейронов блокируется, естественное оцепенение нарушается.
Другое исследование, опубликованное одновременно в Nature исследователями из Университета Цукуба в Японии, также выявило аналогичную популяцию нейронов в гипоталамусе.
Получив более глубокое понимание этих процессов на мышах и других моделях животных, авторы предполагают, что в один прекрасный день они смогут вызвать оцепенение у людей - достижение, которое может найти широкое применение, например, для предотвращения повреждения головного мозга во время инсульта., создание новых методов лечения метаболических заболеваний или даже помощь НАСА в отправке людей на Марс.
"Воображение разыгрывается, когда мы думаем о потенциальных состояниях, подобных гибернации у людей. Можем ли мы действительно продлить продолжительность жизни? Это способ отправить людей на Марс?" - сказала соавтор исследования Синиса Хрватин, преподаватель нейробиологии в Институте Блаватника в HMS.
«Чтобы ответить на эти вопросы, мы должны сначала изучить фундаментальную биологию оцепенения и гибернации у животных», - сказал Хрватин. "Мы и другие этим занимаемся - это не научная фантастика."
Чтобы сократить расход энергии в периоды дефицита, многие животные впадают в состояние оцепенения. Спящий режим является расширенной сезонной формой этого. В отличие от сна оцепенение связано с системными физиологическими изменениями, в частности, со значительным падением температуры тела и угнетением метаболической активности. Хотя биологические механизмы, лежащие в основе оцепенения и гибернации, распространены в природе, они до сих пор плохо изучены.
Роль мозга, в частности, остается в значительной степени неизвестной, вопрос, который двигал исследовательскими усилиями Хрватина и его коллег, в том числе соведущего автора Сенмяо Сун, аспиранта Гарвардской программы в области неврологии, и старший автор исследования Майкл Гринберг, профессор Натана Марша Пьюзи и заведующий кафедрой нейробиологии в Институте Блаватник в HMS.
Нейронная ЛОВУШКА
Исследователи изучали мышей, которые не впадают в спячку, а испытывают приступы оцепенения, когда еды мало и температура низкая. При температуре 22 градуса C (72 градуса F) у голодающих мышей наблюдалось резкое падение внутренней температуры тела и значительное снижение скорости метаболизма и движения. Для сравнения, у сытых мышей сохранялась нормальная температура тела.
Когда мыши начали впадать в оцепенение, команда сосредоточилась на гене Fos, который, как ранее было показано лабораторией Гринберга, экспрессируется в активных нейронах. Маркировка белкового продукта гена Fos позволила им определить, какие нейроны активируются при переходе в оцепенение во всем мозге.
Этот подход выявил обширную нейронную активность, в том числе в областях мозга, которые регулируют голод, питание, температуру тела и многие другие функции. Чтобы увидеть, достаточно ли мозговой активности, чтобы вызвать оцепенение, команда объединила два метода - FosTRAP и хемогенетику - для генетической маркировки нейронов, которые активны во время оцепенения. Затем эти нейроны можно будет повторно стимулировать, добавив химическое соединение.
Эксперименты подтвердили, что оцепенение действительно может быть вызвано - даже у сытых мышей - путем повторной стимуляции нейронов таким образом после того, как мыши оправились от первоначального периода бездействия.
Однако, поскольку в рамках этого подхода нейроны маркировались по всему мозгу, исследователи работали над тем, чтобы сузить круг до конкретной области, которая контролирует оцепенение. Для этого они разработали вирусный инструмент, который использовали для выборочной активации нейронов только в месте инъекции.
Сосредоточившись на гипоталамусе, области мозга, отвечающей за регулирование температуры тела, чувства голода, жажды, секреции гормонов и других функций, исследователи провели серию кропотливых экспериментов. Они систематически вводили 54 животным небольшое количество вируса, покрывающее 226 различных областей гипоталамуса, затем активировали нейроны только в тех областях, где вводили инъекции, и искали признаки оцепенения.
Нейроны в одной конкретной области гипоталамуса, известной как avMLPA, при активации вызывают оцепенение. Стимуляция нейронов в других областях гипоталамуса не имела никакого эффекта.
«Когда первоначальный эксперимент удался, мы знали, что у нас что-то есть», - сказал Гринберг.«Мы получили контроль над оцепенением у этих мышей с помощью FosTRAP, что позволило нам затем идентифицировать подмножество клеток, участвующих в этом процессе. Это элегантная демонстрация того, как Fos можно использовать для изучения активности нейронов и поведенческих состояний в мозгу»."
Достойная цель
Команда дополнительно проанализировала нейроны, которые занимают эту область, используя секвенирование РНК одиночных клеток, чтобы изучить почти 50 000 отдельных клеток, представляющих 36 различных типов клеток, в конечном итоге выделив подмножество нейронов, вызывающих оцепенение, отмеченных ген транспортера нейротрансмиттера Vglut2 и пептид Adcyap1.
Стимуляции только этих нейронов было достаточно, чтобы вызвать быстрое падение температуры тела и двигательной активности, ключевые признаки оцепенения. Чтобы подтвердить, что эти нейроны имеют решающее значение для оцепенения, исследователи использовали отдельный инструмент на основе вируса, чтобы заглушить активность нейронов avMLPA-Vglut2. Это предотвратило вхождение голодающих мышей в естественное оцепенение и, в частности, нарушило связанное с этим снижение внутренней температуры тела. Напротив, подавление этих нейронов у сытых мышей не дало никакого эффекта.
«У теплокровных животных температура тела жестко регулируется», - сказал Сан. «Падение на пару градусов у людей, например, приводит к гипотермии и может быть фатальным. Однако оцепенение обходит это регулирование и позволяет резко снизить температуру тела. Изучение оцепенения у мышей помогает нам понять, как эта захватывающая особенность теплового кровными животными можно манипулировать с помощью нервных процессов».
Исследователи предупреждают, что их эксперименты не доказывают окончательно, что один конкретный тип нейронов контролирует оцепенение, сложное поведение, которое, вероятно, включает множество разных типов клеток. Однако, идентифицируя конкретную область мозга и подмножество нейронов, участвующих в этом процессе, ученые теперь имеют точку входа для усилий по лучшему пониманию и контролю состояния у мышей и других моделей животных, говорят авторы..
В настоящее время они изучают долгосрочные эффекты оцепенения на мышах, роль других популяций нейронов и основные механизмы и пути, которые позволяют нейронам avMLPA регулировать оцепенение.
«Наши результаты открывают дверь к новому пониманию того, что такое оцепенение и гибернация и как они влияют на клетки, мозг и тело», - сказал Хрватин. «Теперь мы можем тщательно изучить, как животные входят в эти состояния и выходят из них, определить лежащую в их основе биологию и подумать о применении у людей. Это исследование представляет собой один из ключевых шагов на этом пути».
Последствия того, что однажды удастся вызвать оцепенение или гибернацию у людей, если они когда-либо осознаются, будут глубокими.
«Слишком рано говорить, можем ли мы вызвать такое состояние у человека, но это цель, которая может быть стоящей», - сказал Гринберг. «Потенциально это может привести к пониманию анабиоза, управления метаболизмом и, возможно, увеличения продолжительности жизни. В частности, анабиоз - обычная тема в научной фантастике, и, возможно, наша способность путешествовать по звездам когда-нибудь будет зависеть от этого».
Дополнительными авторами являются Орен Уилкокс, Ханци Яо, Аврора Лавин-Питер, Марсело Чикконет, Елена Асад, Микаэла Палмер, Сейдж Аронсон, Александр Бэнкс и Эрик Гриффит.