Чтобы образовать синапс, нейронам нужно просто встретиться

Нейроны связаны между собой синаптическими контактами, благодаря которым возможна передача сигнала с одной нервной клетки на другую, существуют нейронные цепи, да и вообще работа нервной системы зависит от формирования и разрушения синапсов. Это, разумеется, стало известно не сегодня: процессы, сопровождающие динамику синапсов, интенсивно изучаются, однако до сих пор не вполне ясно, что заставляет нейроны искать контакта с тем или иным напарником.

Учитывая то, как сложно устроены сами синапсы и сколь тонкие задачи им приходится выполнять, можно было бы предположить, что нейроны ориентируются на множество клеточно-молекулярных факторов, что для «стыковки» требуется соответствие и согласование между разными нейронными белками, рецепторными и не только. Но, как ни удивительно, всё может быть намного, намного проще: по мнению Алана Робертса (Alan Roberts) из Бристольского университета (Великобритания) и его коллег, образование синапса определяется лишь взаимным расположением нейронных дендритов и аксонов. То есть достаточно простой встречи отростков нервных клеток, безо всякой сложной процедуры взаимного распознавания.

Свои опыты исследователи ставили на головастиках гладкой шпорцевой лягушки Xenopus laevis, у которых легко выделить нервную цепь, отвечающую за плавание. Цепь эта начинается с чувствительных нейронов, которые воспринимают механический стимул-прикосновение; они запускают ритмичный сигнал в нейронах спинного мозга и заднего мозга, а эти нейроны активируют двигательные нейроны с обеих сторон тела головастика. Двигательные нейроны заставляют мышцы с обеих сторон работать по очереди, благодаря чему амфибия плывёт.

В своих предыдущих экспериментах исследователям удалось записать активность полутора тысяч нервных клеток этой цепи, а заодно определить, что в реакции уплывания в ответ на прикосновение участвуют семь типов нейронов. После этого учёным захотелось выяснить, как эта цепь формируется, как её активность распределяется во времени и как всё это согласуется с анатомией спинного мозга и заднего мозга. Исследователи работали с компьютерной моделью, описывающей прорастание отростков из тел нервных клеток, у которых поначалу никаких отростков не было. Модель учитывала разные варианты развития аксонов (угол направления роста, степень ветвления и т. д.), которые удалось узнать из опытов над разными типами нейронов; похожие данные были использованы и для дендритов.

Кроме того, в модели учитывались барьеры, на которые могли наткнуться растущие отростки и которые они могли преодолевать с той или иной эффективностью; сами же виртуальные аксоны и дендриты могли образовывать контакты просто при встрече друг с другом. То есть никаких дополнительных условий для образования синапса в модели заложено не было. Оставалось только посмотреть, смогут ли нейроны сложиться в нормально функционирующую «плавательную» цепочку.

Как утверждают авторы исследования, такую цепочку удалось получить: виртуальные сенсорные нейроны чувствовали прикосновение, и передаваемый сигнал в итоге приводил к перемежающейся активности виртуальных двигательных нейронов. Иными словами, для образования нервной цепочки, для образования синапсов достаточно было лишь встречи нейронных отростков друг с другом, их взаимного близкого расположения.

Но не стоит забывать, что, во-первых, нейроны эти были смоделированы на компьютере, во-вторых, это были цифровые «портреты» лишь нескольких типов нервных клеток головастика и, наконец, моделировался лишь один из вариантов нейронной архитектуры. Например, исследования сетчатки глаза мыши, проведённые в минувшем году, привели к противоположному выводу: в переплетении нейронов сетчатки только соседства было мало, чтобы между нейронами образовался синапс.

Впрочем, сам Алан Робертс полагает, что синапсообразование может происходить разными путями: в каких-то случаях достаточно близкого соседства, в каких-то необходимо сложное специфическое взаимное узнавание. При этом, конечно же, обычное синапсообразование тоже предполагает участие множества белков, просто в этом случае нет никакого различия между правильными соседями и неправильными.

Возможно, эти данные в будущем помогут медикам сращивать разорванные нервные пути и возвращать, например, подвижность конечностям. Но прежде, конечно же, надо будет убедиться, что такой механизм есть у человека, и вообще — что он работает у настоящих, невиртуальных нейронов.

Результаты исследования будут опубликованы в Journal of Neuroscience.

Подготовлено по материалам Бристольского университета. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.