Стимуляция гипоталамуса ввела мышей в оцепенение

В гипоталамусе млекопитающих, которые не впадают в спячку, нашли нейроны, активация которых замедляет обмен веществ на срок до двух суток, сообщается в двух статьях независимых групп ученых (первая, вторая) в Nature.

Стимуляция гипоталамуса ввела мышей в оцепенение

Вероятно, структуры, обеспечивающие гибернацию у зверей, появились давно и в каком-то виде сохранились даже у тех, кто ей не пользуется. Возможная практическая польза этих исследований в том, что «нейроны спячки» можно будет активировать в нужный момент и за счет этого замедлить повреждение тканей или дольше сохранить донорские органы.

Эндотермные животные большое количество энергии тратят на то, чтобы поддерживать температуру тела постоянной. Чем организм мельче, тем сложнее это делать, так как больше относительные теплопотери. В холодное время года и (или) при нехватке пищи поддерживать нужную температуру тела становится сложнее. Один из способов пережить неблагоприятные периоды — замедлить обмен веществ: есть меньше и выделять меньше тепла. При этом не получится двигаться так же интенсивно, как обычно, поэтому животное ищет убежище и проводит период покоя, лежа в нем.

Гибернация (спячка; так называют длительный период покоя у теплокровных животных) — активный процесс, животное во время него способно регулировать температуру тела, как и в обычных условиях. Но что запускает гибернацию и позволяет менять температуру во время нее, не слишком понятно. Ясно, что в этом принимает участие центральная нервная система. Поскольку главные терморецепторы расположены в гипоталамусе, ядро структур, управляющих спячкой, стали искать там.

Известно, что нейроны разных областей гипоталамуса выделяют QRFP (это пептид). Их активация или введение QRFP в боковые желудочки мозга снижают температуру тела и двигательную активность мышей, что характерно для гибернации. Однако не было понятно, какие именно производящие пептид нейроны обеспечивают спячку и на какие клетки они действуют в первую очередь.

Чтобы выяснить это, нейробиологи из нескольких японских институтов во главе с Такеши Сакураи (Takeshi Sakurai) вводили трансгенным мышам аденоассоциированные вирусные векторы с красным флуоресцентным белком mCherry, активируемые улучшенной Cre-рекомбиназой (iCre), в различные части гипоталамуса, где находятся вырабатывающие QRFP и iCre нейроны. В этих нейронах также находились «дизайнерские рецепторы», которые взаимодействуют только с искусственными созданными специально для них веществами-лигандами. Вводя в брюшную полость мышей соответствующие лиганды, исследователи активировали вырабатывающие QRFP и iCre нейроны, и последние на срезах мозга было видно благодаря mCherry. Провели и серию оптогенетических экспериментов, где те же нейроны стимулировали светом.

За активацией нейронов следили электрофизиологическими методами, а температуру тела мышей определяли по сенсорам, вшитым в брюшную полость грызунов. Так исследователи определяли, какие именно нейроны отвечают за замедление метаболизма у мышей (оно выражалось в падении температуры тела и снижении двигательной активности). Вообще говоря, лабораторные мыши не гибернируют, но могут впадать в кратковременное состояние неактивности — торпор. Эксперименты повторили и на крысах, у которых не бывает ни спячки, ни торпора.

Тем не менее, у обоих видов грызунов стимуляция QRFP-нейронов медиальной преоптической области и антеровентральных перивентрикулярных ядер гипоталамуса приводила к тому, что у животных снижалась температура тела на срок до 48 часов, а вместе с ней скорость метаболизма и двигательная активность. Это состояние по своим свойствам было похоже на торпор. Вскрытие животных показало, что несколько часов замедленного обмена веществ не наносили вреда внутренним органам. Поведение крыс и мышей после оцепенения тоже существенно не менялось.

Когда нейроны, которые вырабатывают QRFP и при этом замедляют метаболизм (их назвали коротко Q-нейронами), заставили вырабатывать зеленый флуоресцентный белок, стало понятно, к каким клеткам они тянут аксоны, — к нейронам дорсомедиального гипоталамуса. Периодическая оптогенетическая активация этих аксонов привела к тому, что температура тела животных снизилась на несколько часов. Эксперименты с выборочной блокировкой Q-нейронов показали, что среди них есть как возбуждающие (выделяют глутамат), так и тормозные (выделяют гамма-аминомасляную кислоту) клетки, и даже такие, которые действуют двояко (выделяют оба нейромедиатора). К сходным выводам пришла группа Майкла Гринберга (Michael Greenberg) из Гарвардской медицинской школы.

Какую роль выполняют Q-нейроны в нормальных физиологических условиях у животных, не способных к гибернации (мыши) или даже торпору (крысы), пока непонятно. Вероятно, они обеспечивают быстрое снижение температуры тела. Но если с их помощью удалось достичь многочасового состояния оцепенения у грызунов, которые к нему не склонны, то можно полагать, что выборочная манипуляция такими нейронами позволит замедлить метаболизм и у представителей других видов, в том числе человека. А при низкой скорости обмена веществ ткани и органы дольше сохраняются в изначальном состоянии. Таким образом, индуцированное оцепенение можно использовать, чтобы увеличить «срок годности» донорских органов.

Мы писали про зимнюю спячку и другие варианты периодов покоя у животных в материале «Вечером мы погрузимся в спячку». Млекопитающие, особенно мелкие, часто пережидают неблагоприятные условия, снижая интенсивность метаболизма. Птицы так почти никогда не делают: им легче сменить локацию и улететь туда, где теплее и больше корма. Единственное исключение — американский белогорлый козодой. Хотя он способен совершать перелеты, в некоторых частях ареала козодой на недели входит в состояние, близкое к спячке. К списку гибернирующих птиц может присоединиться скалистый новозеландский крапивник: в апреле 2020 вышла статья, авторы которой предполагают, что он тоже впадает в спячку.

Автор: Светлана Ястребова

Ссылка на источник

Просмотров
Всего:
1 171 | За месяц: 0 | За неделю: 0 | За сутки: 0