Ученые из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU) в Германии обнаружили новый сигнальный путь в головном мозге, который играет важную роль в обучении и обработке сенсорной информации. Уже было известно, что отдельные глиальные клетки получают информацию от нейронов. Однако было неизвестно, что эти же глиальные клетки также передают информацию нейронам. Глия высвобождает специфический фрагмент белка, который влияет на перекрестное взаимодействие нейронов, скорее всего, за счет связывания с синаптическими контактами, которые нейроны используют для связи. Нарушение этого информационного потока от глии приводит к изменениям в нейронной сети, например, в процессе обучения.
Команда в составе доктора. Доминик Сакри, доктор. Анджела Нейтц, профессор Жаклин Троттер и профессор Томас Миттманн раскрыли лежащий в основе механизм, от молекулярного и клеточного уровня до сети и, наконец, вытекающие из этого поведенческие последствия. Их выводы представляют собой большой прогресс в понимании сложных путей передачи сигналов в головном мозге.
В головном мозге млекопитающих глиальных клеток больше, чем нервных, но их функции все еще в значительной степени неясны. Группа глиальных клеток, так называемые клетки-предшественники олигодендроцитов (OPC), развиваются в олигодендроциты, которые покрывают аксоны нейронов защитным миелиновым слоем, способствуя быстрой передаче сигналов по аксону. Интересно, что эти OPC присутствуют в стабильной пропорции – от пяти до восьми процентов всех клеток во всех областях мозга, включая мозг взрослого человека. Исследователи из Майнца решили поближе познакомиться с этими OPC.
В 2000 году было обнаружено, что OPC получают сигналы от нейронной сети через синаптические контакты, которые они устанавливают с нейронами. "Теперь мы обнаружили, что клетки-предшественники не только получают информацию через синапсы, но, в свою очередь, используют их для передачи сигналов соседним нервным клеткам. Таким образом, они являются важным компонентом сети," объяснила профессор Жаклин Троттер из Института молекулярной клеточной биологии Университета Майнца. Классически нейроны считались основными игроками в мозге. Однако за последние несколько лет появилось все больше доказательств того, что глиальные клетки могут играть не менее важную роль. "Глиальные клетки чрезвычайно важны для нашего мозга, и теперь мы подробно выяснили новую важную роль глии в передаче сигналов," объяснил профессор Томас Миттманн из Института физиологии Медицинского центра Университета Майнца.
Цепь коммуникации начинается с сигналов, идущих от нейронов к OPC через синаптическую щель через нейротрансмиттер глутамат. Это приводит к стимуляции активности специфической протеазы, альфа-секретазы ADAM 10 в OPC, которая действует на белок NG2, экспрессируемый клетками-предшественниками, высвобождая фрагмент NG2 во внеклеточное пространство, где он влияет на соседние синапсы нейронов. Нейроны реагируют на это изменением электрической активности. "Мы можем использовать патч-зажим, чтобы как бы услышать, как клетки разговаривают друг с другом," сказал Миттманн.
"Процесс начинается с приема сигналов, исходящих от нейронов, OPC. Это означает, что обратную связь с нейронами нельзя рассматривать отдельно от приема сигнала," объяснил доктор. Доминик Сакри, первый соавтор исследования, описывающий каскад событий. Роль NG2 в этом процессе стала очевидной, когда исследователи удалили белок: синаптическая функция нейронов изменяется, изменяя обучение и нарушая обработку сенсорной информации, которая проявляется в форме поведенческих изменений у подопытных животных.
Доказательства того, что связь между двумя типами клеток в головном мозге является не односторонней системой, а сложным механизмом, включающим петли обратной связи, были получены в совместном проекте с участием физиологов и молекулярных биологов. В проекте в Университете Майнца участвовали факультеты биологии и медицины, а также программа Focus Program Translational Neurosciences (FTN) в виде платформенной технологии, предоставленной подразделением Mouse Behavioral Unit (MBU). Проект получил дополнительную поддержку со стороны двух Центров совместных исследований Майнца (CRC 1080 и CRC-TR 128) при участии Института нейробиологии им. Лейбница в Магдебурге. В исследовании приняли участие ученые из семи стран.