Мозг человек — это биологическое чудо с внушительными навыками. К сожалению, регенерации в их числе нет. За исключением одной маленькой V-образной области в гиппокампе, человеческий мозг практически не может перестраиваться. Когда нейроны умирают, их не могут заменить никакие резервные клетки. Повреждение мозга — удар по голове, инсульт или нейродегенеративное заболевание — может быть фатальным. Потерянные нейроны вернуть не удастся.

Очевидным решением было бы поставить в мозг дополнительные нейроны, будто заменить поломанную деталь. Но один нейрон образует тысячи запутанных связей с другими рядом и поодаль, и зачастую эти связи устанавливаются на ранних стадиях развития.

Может ли посторонний трансплантат действительно ассимилироваться в зрелых нейронных сетях после травмы и автоматически восстановить сломанную схему? По данным нового исследования, недавно опубликованного в Nature, ответ будет положительным.

Экспериментируя с мышами с поражением головного мозга, группа немецких ученых показала, что в течение двух месяцев после трансплантации инородные эмбриональные нейроны созрели и полностью включились в существующую сеть в пределах визуальной области мозга.

Удивительно, но прижившиеся нейроны были почти неотличимы от родных — они переносили нужную информацию, установили функциональные схемы ввода и вывода и взяли на себя функции поврежденных нейронов.

«На сегодняшний день это наиболее полное исследование интеграции схем пересаженных нейронов в головном мозге взрослого, а также единственное исследование интеграции отдельных клеток на протяжении их жизни у нового хозяина», говорит автор исследования Сюзанна Фолкнер, аспирант Института нейробиологии Макса Планка.

Это демонстрация силы пластичности мозга дает надежду на то, что клеточная трансплантация может быть полезной при разрушительных заболеваниях мозга, таких как черепно-мозговые травмы, заболевания Паркинсона и Альцгеймера.

Установить и подключить

Исследования трансплантации клеток далеко не новы, но почти во всех предыдущих исследованиях использовались младенческие животные, а не взрослые носители.

«Ранний постнатальный мозг продолжает развиваться, поэтому гораздо более пластичен и восприимчив к трансплантатам», объясняет Фолкнер.

Хотя предпринималось несколько попыток пересадить стволовые клетки в мозг взрослой мыши, до сих пор никто убедительно не показал, что трансплантаты могут созревать и функционировать в чужом мозге. Для начала ученые использовали мощный лазер, чтобы точно повредить небольшой участок тканей мозга в визуальной коре мыши. Область мозга выбирали тщательно.

«Мы знаем так много о функциях нервных клеток в этой области и о связях между ними, что легко можем оценить, выполняют ли имплантированные нервные клетки задачи нормально», объясняет автор исследования доктор Марк Хюбенер.

Затем они изолировали незрелые нейроны от внешнего слоя эмбрионов мышей и пометили их флуоресцентным белком. Под микроскопом эти метки загораются красным и зеленым, что позволяет легко отличить трансплантированные клетки от родных нейронов хозяина. Используя длинную, тонкую иглу, ученые вводили эмбриональные нейроны прямо в поврежденную кору головного мозга мыши.

Нейронные трансплантаты (синие) соединяются с нейронами носителя (желтые) в мозге взрослой мыши, перестраивая нейронную сеть после повреждения

Затем ученые тщательно обработали «черепное окно», удалив части черепа выше места инъекции и заменив их прозрачной стеклянной панелью. Таким образом, ученые могли наблюдать отдельные нейроны в течение длительных периодов времени через окно, не повреждая нежную кору головного мозга и не подвергая риску инфекции.

В течение месяца пересаженные нейроны превратились в длинные, извилистые ветви, характерные для корковых нейронов. Крошечные грибовидные структуры (шипики) проявились на выходных проводах нейронов (дендритах). Этот процесс часто наблюдается при нормальном развитии мозга. Поскольку на этих луковичных шипиках растут синапсы, это говорит о том, что трансплантаты активно образовывали соединения с другими нейронами в головном мозге.

Ученые уверены в этом.

Спустя месяц после трансплантации группа картировала новодобавленные нейроны — в какие области мозга они передают сигналы и из каких областей получают информацию. Переплетения не только оказались изысканно точными, но и сила их была сопоставима с показателями обычных нейронов.

«Тот факт, что клетки выжили и продолжали развиваться, весьма обнадеживает», говорит Хюбенер. «Но еще интереснее все стало, когда мы решили взглянуть на электрическую активность пересаженных клеток поближе».

Нейроны из области зрительной коры под названием V1 весьма придирчивы к стимулам, на которые реагируют. К примеру, нейрон может зажигаться только когда обнаруживает черно-белые линии, представленные под углом 45 градусов, но ни под каким другим углом. Это называется настройка, которая развивается в начале жизни. Всеядные нейроны V1 — это плохо, поскольку без выборочной активации они будут насыщать схему шумом.

К 15 неделе после трансплантации, новые нейроны переняли функциональные причуды нейронов V1, последовательно реагируя сильнее по отношению к определенным ориентациям линий, нежели к другим. Они оставались полностью функциональными на протяжении годового исследования.

«Эти результаты показывают, что имплантированные нервные клетки интегрировались с высокой точностью в нейронные сети, в которые, при обычных условиях, новые нервные клетки никогда бы не встроились», объясняет автор исследования Магдалена Гетц из Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене, Германия.