Исследователи разработали метод, который позволяет заглянуть в глубины ствола мозга и увидеть, как ядро одиночного пути (NTS) обрабатывает сигналы.
Технология, названная D-PSCAN, использует две миниатюрные стеклянные призмы и двухфотонный микроскоп, чтобы наблюдать за нейронами NTS без повреждения окружающих структур, включая мозжечок. Исследование, опубликованное в журнале Cell Reports Methods, не только объясняет, почему стимуляция блуждающего нерва помогает при депрессии и эпилепсии, но и открывает путь к персонализированной терапии, где параметры лечения можно будет подбирать под «рисунок» активности конкретного мозга.
До сих пор изучение NTS напоминало попытку разглядеть звезды днем: ядро скрыто под слоем мозжечка, а вокруг – жизненно важные зоны ствола мозга, которые нельзя повредить. Ученые шли на крайние меры – удаляли мозжечок, но это нарушало его роль в регуляции эмоций.
Новый метод обходит эту проблему. Призмы, имплантированные между мозжечком и стволом мозга, работают как перископ, направляя лазерный луч микроскопа вглубь ткани. Нейроны NTS помечаются белком GCaMP, который светится при повышении кальция (признак активности). Так исследователи в реальном времени видят, как клетки «взрываются» вспышками в ответ на стимулы.
Но как убедиться, что свет исходит именно от NTS, а не от соседних областей? Для этого ученые вживили в мозг флуоресцентные наночастицы и доказали, что разрешение метода (2.3 микрона вбок и 34 микрона вглубь) позволяет отличить нейроны NTS от клеток двигательного ядра блуждающего нерва, расположенного всего в 40 микронах ниже. Алгоритмы искусственного интеллекта дополнительно «чистят» изображение, разделяя перекрывающиеся сигналы.
Когда метод испытали на практике, открылись некоторые детали. Оказалось, нейроны NTS реагируют на стимуляцию блуждающего нерва по-разному: при слабых импульсах (0.1-0.25 мА) они едва откликаются, но при достижении «порога» в 0.5 мА начинают работать «громко» и слаженно. Если повторять стимуляцию на частоте 10 Гц, их ответы усиливаются, но при 15 Гц начинают снижаться – возможно, из-за «усталости» синапсов или включения тормозных механизмов. Эксперимент с холецистокинином (гормоном «сытости») показал, как именно мозг «слышит» сигналы желудка. Его введение вызвало мгновенную вспышку активности в NTS, которая сохранялась более 5 минут, подтверждая, что даже после окончания еды желудок все еще взаимодействует с мозгом по блуждающему нерву.
Эти результаты меняют представление о том, как стимуляция блуждающего нерва, уже используемая в клинике, воздействует на мозг. Например, пороговый эффект при 0.5 мА объясняет, почему врачи тщательно подбирают силу тока для пациентов. А подавление реакции при 15 Гц говорит о том, что чрезмерная стимуляция может быть контрпродуктивной. Ученые предполагают, что за этими эффектами стоят локальные тормозные нейроны NTS, которые действуют как «дирижеры», регулирующие общий ритм. В будущем это позволит создавать «умные» импланты, адаптирующие параметры стимуляции в реальном времени под активность конкретного мозга – мечта персонализированной медицины.
Однако у технологии пока есть свои границы. Все эксперименты проводились под анестезией, которая очевидно искажает картину нейронной активности. Например, в коре головного мозга анестетики подавляют спонтанные «разговоры» нейронов – возможно, в NTS происходит что-то подобное. Еще одна задача – адаптировать метод для бодрствующих животных. Сегодня малейшее движение ствола мозга при дыхании смазывает изображение. Ученые работают над «стабилизатором» – устройством, которое будет фиксировать позвоночник, чтобы мозг оставался неподвижным даже в активном состоянии.
Несмотря на ограничения, D-PSCAN – это то окно, в которое можно увидеть, как тело и мозг ведут непрерывный диалог. Он уже помогает понять, почему после сытного обеда мы чувствуем умиротворение, а при стрессе «сосет под ложечкой». Вероятно, найденные данные могут стать еще одним подтверждением висцеральной теории сна Ивана Пигарева.
В перспективе же полученная при помощи D-PSCAN информация может превратить стимуляцию блуждающего нерва из грубого «рубильника» в тонкий инструмент, настраиваемый под нейроны каждого человека.
Текст: Анна Хоружая