Нове дослідження, опубліковане в журналі Nature, показує, що мозок дорослої людини продовжує виробляти нові нейрони протягом усього життя. Цей процес особливо активний у людей похилого віку з винятковою пам'яттю, але значно обмежений у хворих на хворобу Альцгеймера. Дослідники вважають, що збереження цієї здатності до генерації нейронів може бути ключем до захисту когнітивних функцій у похилому віці.
Людський мозок використовує мільярди клітин, які називають нейронами, для обробки інформації, зберігання спогадів і координації рухів. У деяких тварин, таких як миші, дослідники неодноразово спостерігали народження нових нейронів у дорослому мозку. Цей регенеративний процес називається нейрогенез.
Протягом багатьох років дослідники сперечалися про те, чи відбувається нейрогенез у дорослих людей. Попередні дослідження давали суперечливі результати, що призводило до питань, чи припиняє людський мозок генерацію нових нейронів після дитинства. Точні біологічні механізми, які контролюють це клітинне народження в людини, залишалися незрозумілими.
Дослідники з Іллінойського університету Чикаго, Північно-Західного університету та Вашингтонського університету поставили перед собою завдання відповісти на ці нерозв'язані питання. Дослідницьку групу очолював Ахмед Дісукі, вчений, який вивчає, як мозок зберігає своє здоров'я з часом. Дисукі та його колеги хотіли зрозуміти біологічні відмінності між добре зістареним мозком і мозком, який схильний до деменції.
Основна увага в дослідженні була приділена унікальній групі людей похилого віку, відомих як «суперстарці». Ці люди старші вісімдесяти років, але мають пам'ять, порівнянну з пам'яттю людей на тридцять років молодше. Команда припустила, вивчення цих чудових людей може розкрити біологічні секрети здорового старіння.
"Для громадськості особливо важливим є те, що це дослідження показує, що постарілий мозок не є фіксованим чи приреченим на занепад1, — сказав Ахмед Дісукі, головний автор дослідження. "Розуміння того, як деякі люди природно підтримують нейрогенез, відкриває двері для стратегій, які могли б допомогти більшій кількості дорослих зберегти пам'ять і когнітивне здоров'я в літньому віці".
Щоб зрозуміти біологічне коріння пам'яті, дослідники зосередилися на певній ділянці мозку, що називається гіпокампом. Гіпокамп діє як центральний вузол навчання та формування пам'яті. Захворювання, що погіршують пам'ять, такі як хвороба Альцгеймера, зазвичай вражають цю область на ранніх стадіях.
Дослідники також хотіли вивчити концепцію епігенетики, яка описує зміни в тому, як ДНК упаковується та зчитується клітиною. Усередині ядра клітини ДНК щільно обернена у структуру, яка називається хроматином. Коли хроматин відкритий і доступний, певні гени можуть бути активовані, дозволяючи клітині виконувати нові функції або дозрівати до іншого типу клітин.
"Сучасна медицина зробила революцію в охороні здоров'я, завдяки чому тривалість життя зараз вища, ніж будь-коли раніше", — сказав співавтор дослідження Джаліс Рехман, професор імені Бенджаміна Дж. Голдберга та завідувач кафедри біохімії та молекулярної генетики в Університеті Іллінойсу в Чикаго. "Нам необхідно забезпечити, щоб це загальне збільшення тривалості життя супроводжувалося високою якістю життя, включаючи когнітивне здоров'я".
Для досягнення цієї мети команді було необхідно всебічне розуміння того, як доступність хроматину та експресія генів впливають на гіпокамп. Вони зібрали зразки посмертної тканини мозку від п'яти різних груп донорів. До цих груп входили здорові молоді люди, здорові люди похилого віку, люди з «супервіком», люди з ранніми ознаками когнітивних порушень і люди з діагнозом хвороби Альцгеймера.
Дослідники проаналізували донорську тканину мозку, використовуючи передові методи секвенування окремих клітин. Ця технологія дозволяє вченим вивчати генетичний матеріал усередині окремих клітин по одній. Вивчаючи сотні тисяч окремих клітин, команда змогла ідентифікувати рідкісні типи клітин, які в іншому випадку могли б бути втрачені у більшій вибірці.
Для вивчення біології цих тканин команда використовувала два різні методи вимірювання кожної окремої клітини. По-перше, вони досліджували, які гени активно виробляють інструкції — процес, відомий як експресія генів. По-друге, вони вимірювали фізичну форму ДНК, щоб визначити, які ділянки розгорнуті та доступні для використання.
Цей подвійний підхід дозволив вченим побачити як поточну активність клітини, так і її майбутній потенціал. Якщо ген вимкнено, але ДНК залишається відкритою, клітина зберігає здатність повторно активувати цей ген пізніше. Якщо ДНК щільно згорнута та закрита, ця біологічна здатність повністю втрачається.
Команда цілеспрямовано шукала клітини трьох різних стадій розвитку. Перша стадія включала нейронні стовбурові клітини, які діють як чистий листок, здатний розвиватися у зрілі клітини мозку. Друга стадія включала нейробласти — клітини підліткового віку, які розпочали перехід у нейрони.
Третя стадія складалася з незрілих нейронів, що знаходяться на порозі повної функціональності. Виявлення клітин цих трьох стадій доводило б, що мозок активно будує нові нейронні мережі.
"Уявіть собі стадії нейрогенезу у дорослих як стадії розвитку немовляти, малюка та підлітка", — каже Орлі Лазаров, професор Медичного коледжу Університету Іллінойсу в Чикаго та директор Програми навчання з хвороби Альцгеймера та пов'язаних з нею деменцій. "Все це ознаки того, що в гіпокампі ростуть нові нейрони".
У попередні роки деякі вчені намагалися відрізнити нейрони, що розвиваються, від інших типів клітин головного мозку. Молоді нейрони можуть бути напрочуд схожі на клітини-підтримки, які забезпечують теплоізоляцію мозку. Склавши точний генетичний профіль сотень тисяч клітин, дослідницька група розділила ці клітинні ідентичності.
Результати підтвердили, що мозок дорослої людини справді виробляє нові нейрони. Дослідники виявили нейронні стовбурові клітини, нейробласти та незрілі нейрони у всіх п'яти групах донорів. Однак кількість і стан цих клітин сильно відрізнялися залежно від когнітивного статусу людини.
У мозку людей, які досягли «супервікового» віку, нейрогенний процес був дуже активним. Ці люди виробляли величезну кількість незрілих нейронів та нейробластів у порівнянні зі звичайними людьми похилого віку. Дослідники описали цей унікальний клітинний профіль як ознаку стійкості до когнітивних порушень.
"У людей, які досягли «супервікового» віку, нейрогенез був удвічі вищим, ніж у інших здорових людей похилого віку2, — сказав Лазаров. "Щось у їхньому мозку дозволяє їм підтримувати чудову пам'ять. Я вважаю, що секретний інгредієнт – це нейрогенез у гіпокампі, і дані це підтверджують".
Ситуація виглядала зовсім інакше в мозку людей, які страждають на когнітивні порушення. У людей із ранніми стадіями проблем із пам'яттю спостерігалося різке зниження вироблення нових нейронів. У тих, кому було встановлено діагноз запущеної хвороби Альцгеймера, нові нейрони практично не утворювалися.
Вивчивши молекулярні дані, дослідники точно визначили, де саме відбувається збій у нейрогенному процесі. Вони виявили, що проблема значною мірою корениться в упаковці ДНК. У групі хворих на хворобу Альцгеймера хроматин став менш доступним, що фактично блокувало гени, необхідні для дозрівання стовбурової клітини в нейрон, що функціонує.
Ці зміни в доступності хроматину відбувалися на ранніх стадіях захворювання. Дослідники зазначили, що у людей з легкими когнітивними порушеннями доступ до хроматину було обмежено ще до того, як знизився рівень експресії генів. Це говорить про те, що спосіб згортання ДНК може служити ранньою попереджувальною ознакою втрати пам'яті, що насувається.
Усередині клітин білки, відомі як фактори транскрипції, діють як головні перемикачі, що керують цією системою. Вони зв'язуються з доступним хроматином і вмикають чи вимикають цілі мережі генів. Дослідження показало, що у людей із «суперстарінням» використовується зовсім інший набір факторів транскрипції порівняно з людьми, які мають типове старіння мозку.
Оскільки у людей із «суперстарінням», у певних областях зберігався доступний хроматин, їх клітини мозку могли продовжувати формувати нові зв'язки. Ця здатність адаптуватися та створювати нові нейронні зв'язки необхідна для формування нових спогадів. Дослідники помітили, що ця біологічна стійкість дозволяє мозку людей із «суперстарінням» функціонувати так само як і у молодших людей.
Дослідники помітили, що певні біологічні шляхи залишалися високоактивними у людей із суперстарінням. Наприклад, генетичні інструкції для побудови клітинних енергетичних станцій, які називаються мітохондріями, продовжували нормально функціонувати. Це дозволяло клітинам генерувати енергію, необхідну для створення нових нейронних зв'язків.
Вчені також склали карту хімічних взаємодій між різними типами клітин мозку. Вони уважно вивчили зіркоподібні клітини-підтримки, які називаються астроцитами, які забезпечують нейрони поживними речовинами та допомагають підтримувати стабільне середовище в мозку. При здоровому старінні астроцити та нейрони вступають у безперервний біохімічний діалог для підтримки міцності своїх зв'язків.
У мозку, ураженому деменцією, цей хімічний діалог затихає, залишаючи нейрони, що вижили, вразливими для пошкоджень. Збій у роботі цих клітинних систем підтримки, ймовірно, сприяв зниженню нейрогенезу у хворому мозку.
"Це великий крок уперед у розумінні того, як людський мозок обробляє когнітивні процеси, формує спогади та старіє. Визначення причин, через які деякі мізки старіють здоровішим чином, ніж інші, може допомогти дослідникам розробити терапевтичні засоби для здорового старіння, підвищення когнітивної стійкості та профілактики хвороби Альцгеймера та пов'язаної з нею деменції", — сказав Лазаров.
Хоча результати дають докладну карту нейрогенезу людини, дослідники визнали низку обмежень у своєму підході. Дослідження ґрунтувалося на відносно невеликій кількості зразків мозку. Тканина людського мозку, як відомо, відрізняється високою мінливістю і невеликі розміри вибірки ускладнюють отримання абсолютних висновків по всій популяції.
Дослідники також зазначили, що їхні результати не були статистично значущими у всіх вимірах порівняння людей, які досягли зрілого віку зі здоровими дорослими. Деякі порівняння не мали достатньої статистичної потужності через властиву мінливість від одного зразка тканини до іншого. Команда зазначила, що для підтвердження точних показників клітинної генерації необхідні майбутні дослідження із набагато більшими групами донорів.
Ще одне обмеження пов'язане із використанням посмертної тканини. Аналіз тканини мозку після смерті дає лише моментальний знімок. Неможливо спостерігати за фактичним процесом дозрівання окремої стовбурової клітини у функціональний нейрон у живому людському мозку.
Попри ці труднощі, дослідження закладає міцну основу майбутніх досліджень. Дослідницька група планує вивчити, як спосіб життя впливає на епігенетичні сигнатури, виявлені у цьому дослідженні. Вони сподіваються дізнатися, як зовнішні чинники можуть змінювати хроматин у гіпокампі.
Далі дослідники вивчать фактори довкілля та способу життя, такі як дієта, фізичні вправи та запалення, які можуть взаємодіяти з нейрогенезом, впливаючи на старіння. Розуміючи ці зовнішні чинники, вчені зрештою зможуть розробити методи лікування, які підтримуватимуть хроматин у відкритому стані та активний нейрогенез. Такий підхід може запропонувати новий спосіб уповільнення або запобігання розвитку деменції у людей похилого віку.
