Революция в голове. Как новые нервные клетки омолаживают мозг: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Илл. 16. Рудольф Вирхов – отец современной патологии, открыл глиальные клетки

С этой точки зрения стволовые клетки тоже имеют специализацию, и это – способность к делению и отсутствие какой-либо другой специализации, благодаря чему они служат резервуаром, из которого можно получать новых «специалистов».

Клеточное деление требует больших ресурсов и плохо совместимо с другими функциями. Это очень сложный процесс, для него нужны совершенно иные свойства и условия, чем при другой специализации. Таким образом, существует разделение труда между активно делящимися клетками, с которых начинается развитие, и клетками, прошедшими дифференцировку и отказавшимися от функции деления в пользу других специализированных функций. У этой схемы масса достоинств. Например, она позволяет лучше контролировать склонные к делению клетки, чем если бы каждая клетка должна была заботиться о своем преумножении. Сложные программы развития легче формируются и поддаются управлению, если клетки подчиняются иерархии, где каждой ступени в развитии соответствует определенный этап.

Илл. 17. Сформулированный Рудольфом Вирховом принцип omnis cellula a cellula («любая клетка происходит из клетки») не только произвел революцию в учении о болезнях и биологии развития, но и для самого исследователя был настолько важен, что тот поместил его на своем экслибрисе

Чисто теоретически природа могла найти и другое решение. Существуют клетки, которые прошли дифференцировку, но сохранили способность делиться, и можно представить себе, как в случае необходимости запасы могли бы обновляться или восполняться с их помощью. Например, так это устроено в печени. С другой стороны, нейроны снабжены сильно разветвленными отростками, а через их мембрану проходят электрические импульсы. Трудно представить себе, как должна делиться клетка с такими свойствами. Их называют «постмитотическими», потому что их последнее деление (митоз) безвозвратно прошло.

Когда способность к делению сохраняет небольшая группа клеток, изолированная при этом от других, это также повышает надежность. Неконтролируемое деление клеток – не что иное, как рак. На самом деле некоторые современные теории канцерогенеза утверждают, что образование опухоли начинается со сбоя в стволовых, а не в дифференцированных клетках. Неясно, относится ли это ко всем видам рака, но в случае опухолей мозга данная теория объяснила бы многие особенности, которые в противном случае остаются загадкой. Таким образом, ограничение способности делиться обеспечивает лишь частичную защиту. Но это также показывает, что, если бы активно делиться при необходимости могли все клетки тела, риск был бы несоразмерно больше.

Итак, способность к делению – это хороший, но не обязательно однозначный признак стволовых клеток. Долгое время, однако, он был единственным. На способности и потребности делиться, которой обладают стволовые клетки, в результате чего в них встраивается меченный радиоактивным водородом тимидин (тогда как готовые нейроны остаются постмитотическими), основан метод, с помощью которого Альтман доказывал существование нейрогенеза взрослых. В версии с использованием БДУ его применяют до сих пор. Достоверность этого метода выросла, когда удалось подключить дополнительные критерии, чтобы подтвердить, что делятся при этом именно стволовые клетки.

Как исследуют стволовые клетки: о сферах и слоях

Для этого нужно показать, что потенциальные стволовые клетки способны к самообновлению и мультипотентны. Это не так просто, особенно если оба критерия требуется подтвердить прямо в мозге. Для начала следовало бы выявить эти свойства на изолированных клетках. Даже по животным в зоопарке (тоже изолированным) можно многое узнать об их виде. Но все-таки не все, и в первую очередь – ничего о том, как они взаимодействуют со своей естественной средой. Тем не менее именно такое описание стволовых клеток в «условиях зоопарка» клеточной культуры удалось выполнить в начале 90-х, тем самым ощутимо восполнив пробелы в наших знаниях.

Рейнольдс и Вейс сумели сделать это на стволовых клетках из стенки желудочка мозга. Для этого они выделили клетки, положили в посуду для культивирования с питательной средой и создали еще некоторые условия, о которых они могли предположить, что стволовым клеткам те бы понравились. Во многом это было сделано наугад. Работа с клеточными культурами – это своего рода магия, или, лучше сказать, ремесло. В любом случае здесь этого больше, чем чисто теоретических научных принципов.

Как бы то ни было, попытка удалась, и вскоре в среде плавали отдельные маленькие комочки, так называемые нейросферы, которые при этом довольно быстро росли (см. рис. 17 на вклейке). Когда клетки в этих сферах разъединили, все пошло заново, и с клетками следующего поколения, когда их вновь разъединили, произошло то же самое. Из отдельных клеток все время получались сферы, довольно неоднородные скопления, и отдельные клетки в них были способны к формированию новых разнородных сфер. Эта способность, которая сохранялась из поколения в поколение, – ни больше ни меньше чем признак самообновления. А неоднородность таких скоплений клеток говорит об их мультипотентности.

Исследуя гиппокамп, Палмер и Гейдж пошли другим путем. Они не давали клеткам свободно плавать, а нанесли на лабораторную посуду слой, к которому те могли прикрепляться. Логика в том, что в организме клетки тоже не перемещаются туда-сюда сами по себе и, естественно, всегда ищут, где остановиться. То же самое они делают в сферах, поэтому и слипаются друг с другом. Таким образом они создают свое собственное окружение. Но при этом они перестают плавать по отдельности, и вскоре становится невозможно разобрать, что происходит. В так называемых адгезивных культурах клетки тоже находятся в контакте, но не столько друг с другом, сколько с лабораторной посудой. Они дольше остаются разъединенными, их проще исследовать как отдельные сущности. Преимущество здесь в том, что культуры остаются более чистыми. С другой стороны, возникает ситуация, далекая от условий организма.

Продемонстрировать самообновление клеток в адгезивной культуре несколько сложнее, зато можно совершенно отчетливо показать, что они дифференцируются и превращаются в клетки различных типов (мультипотентность). Тем не менее Палмер и Гейдж именно таким образом подтвердили, что в гиппокампе взрослых, для начала крыс, есть стволовые клетки.

Некоторое время эти два метода культивирования стволовых клеток – в сферах и в клеточном слое – соперничали. Разразилась дискуссия, похожая на детские ссоры на почве того, что лучше: Mercedes или BMW, ручки Geha или Pelikan, футбольный клуб «Шальке 04» (или теперь уже «Боруссия») или «Бавария» и так далее. Сейчас можно наблюдать мирное сосуществование и даже смешанные формы этих методик. Исследователь стволовых клеток Клив Свендсен назвал эти два типа клеточных культур версиями нейрональных стволовых клеток для ПК и Apple: действуют они примерно одинаково, но не вполне совместимы друг с другом. Тут не хватает только своей системы Linux. У этих двух методов культивирования совершенно разные свойства, и оба они дают лишь приблизительную картину. Ни один из них не идеален. Оба остаются моделями. Но модели очень полезны, особенно если использовать их в сочетании друг с другом. Они незаменимы, когда нужно подтвердить свойства стволовых клеток.

Тем временем удалось продемонстрировать эти клеточные свойства и в самом мозге, что несравнимо сложнее. Аналогично методу БДУ можно инфицировать клетки вирусом, который поражает их только при делении (так называемым ретровирусом). Ученые используют непатогенный вирус такого рода, в геноме которого есть «репортер» – зеленый флуоресцентный белок (сокращенно ЗФБ)[29]. Этот белок можно заставить светиться под микроскопом. Таким образом удается непосредственно наблюдать инфицированные клетки. Геном вируса встраивается в геном клетки хозяина и передается потомкам при делении. В результате дочерние клетки тоже светятся зеленым. Дочерние и материнские клетки образуют клон. Вводя вирус экономно, чтобы инфицировать лишь совсем немногие стволовые клетки, потом можно исследовать этот клон весь целиком и анализировать в нем различные клеточные типы. Если среди них опять есть стволовые клетки, это говорит о самообновлении, если встречаются дифференцированные дочерние клетки разных видов – о мультипотентности. В теории звучит незамысловато, но на самом деле это сложнейшая техническая задача. Как бы то ни было, этот подвиг показывает, что в мозге взрослых действительно присутствуют полноценные стволовые клетки.

Нервные клетки

Нервные клетки принадлежат к числу самых сложных клеток с наиболее узкой специализацией. Их функция, прочно связанная с их совершенно особенной и весьма асимметричной формой (здесь говорят, что клетка поляризована, поскольку ее полюса очень сильно различаются), практически исключает способность к делению. По крайней мере, распространено такое мнение. Как мы уже говорили, когда нейроны в результате внутренних нарушений или неверных внешних сигналов пытаются запустить неправильную программу и все же вступить в клеточное деление, это оказывается несовместимо с остальными их качествами. Именно по этой причине они гибнут. Поскольку это происходит при нейродегенеративных заболеваниях, ученые предположили, что клетки предпринимают попытку деления, чтобы таким образом все же обеспечить регенерацию. Верно ли это, неизвестно. Точно можно сказать одно: нет никаких признаков того, что нейроны могут успешно делиться. А мозг не регенерирует (или почти не регенерирует).

Нервные клетки специализируются на обработке информации. Они принимают сигналы и передают их дальше, и сумма входящих сигналов, а также их распределение во времени, определяет, окажет ли нейрон возбуждающее (или, в зависимости от его типа, тормозящее) действие на другие, следующие в цепочке нервные клетки. Этим они немного похожи на электродетали, которые производит человек, такие как реле или транзистор. Мозг состоит из миллиардов нейронов, организованных в сложнейшую сеть. Пока что мы пытаемся выяснить, какие закономерности действуют в этих сетях, и понимаем их лишь частично. Они образуют небольшие схемы и функциональные единицы, которые соединяются в более крупные модули и системы. Из них, в свою очередь, формируются центры и области, а те уже составляют часть вышестоящих функциональных систем и более крупных анатомических мозговых структур. К таким системам, например, относятся сенсорная система, направленная на обработку информации от органов чувств, или моторная система, которая инициирует движения и управляет ими. Примеры более крупных анатомических мозговых структур – это кора головного мозга, ствол мозга, мозжечок, спинной мозг и так далее.

По словам «модули», «системы», «центры» и «области» уже можно понять, какую беспомощность ощущали исследователи, когда им нужно было установить иерархию функциональных и структурных терминов. Сегодня мы уже не так беспомощны, и ученые предпринимают многочисленные попытки соединить собранную информацию на компьютере, чтобы смоделировать участок новой коры головного мозга во всей его сложности. Эта затея[30] остается большой авантюрой, и совершенно непонятно, сможет ли она когда-нибудь увенчаться успехом.

Невероятная сложность мозга, вообще говоря, по-прежнему должна внушать смирение. Даже его минимальная функциональная структурная единица, а именно нервная клетка, для нас все еще чрезмерно сложна. То, каким образом нейроны выполняют свои задачи и как из их согласованного взаимодействия получаются, с одной стороны, структурные, а с другой – функциональные схемы, модули, системы и все прочие сети (и почему это возможно), до сих пор во многом непонятно.

Отношения между клетками в гиппокампе, а значит, и зернистыми клетками зубчатой извилины, которые демонстрируют нейрогенез взрослых, еще относительно просты. Гиппокамп – «древняя» мозговая структура: в эволюции он возник сравнительно рано, прежде всего до неокортекса. Гиппокамп тоже составляет часть коры, но это «архи»-кортекс – старая кора с ее относительно простым строением: она состоит всего из трех клеточных слоев, тогда как неокортекс состоит из шести.

Зернистые клетки – это очень однородная группа нейронов с упорядоченными входами и выходами. Подробности мы обсудим в следующей главе. Но это тоже полноценные нервные клетки со всем причитающимся. Особенными их делает то, что организм способен образовывать новые клетки этого типа. А это невозможно без стволовых клеток.

Стволовые клетки и нейрогенез взрослых

Таким образом, стволовые клетки – это необходимое условие для нейрогенеза взрослых. В гиппокампе и в стенке мозгового желудочка можно найти специализированные популяции стволовых клеток, из которых на протяжении всей жизни формируются новые нейроны. В других местах в мозге могут содержаться подобные им клетки, которые ученые способны побудить к образованию новых нейронов в клеточной культуре вне тела. Но в центральной нервной системе млекопитающего такое может случиться только в двух зонах нейрогенеза. А у человека это, судя по всему, происходит только в гиппокампе.

Стволовые клетки, которые лежат в основе нейрогенеза взрослых, способны к самообновлению и мультипотентны, как им и подобает, но фактически их потенциал существенно ограничен. В клеточной культуре из них можно получить нейроны и глиальные клетки обеих больших подгрупп, а именно астроциты и олигодендроциты. В самом мозге стволовые клетки гиппокампа обычно вообще не производят олигодендроцитов. Из них формируются нейроны одного типа и, вероятно, два вида астроцитов.

Таким образом, их мультипотентность в этих условиях не слишком впечатляет. Но главное, что из способной к делению недифференцированной клетки образуются дифференцированные дочерние клетки. Делящиеся клетки формируют резервуар, который поддерживает сам себя (посредством деления) и таким образом на протяжении всей жизни или, по крайней мере, очень долгого времени обеспечивает возможность нейрогенеза.

Слово «резервуар» в этом контексте вызывает некоторые проблемы. Здесь нельзя представить себе наполненный чем-то бак. Скорее речь идет о чрезвычайно динамичной системе. Часть стволовых клеток находится в покое, возможно, на протяжении очень долгого времени, другие постоянно делятся, даже когда их дочерние клетки совершенно не нужны.

В целом количество стволовых клеток с возрастом уменьшается. При этом, чтобы окончательно запутать ситуацию, не исключено, что стволовые клетки обладают способностью напрямую, без промежуточного деления, превращаться в астроциты или нейроны. Это означало бы, что отличительное свойство стволовых клеток – их способность к делению – не обязательно связано со вторым их свойством. Кроме того, тогда стволовые клетки вполне могли бы, пусть даже в порядке исключения, самостоятельно продолжать дифференцировку. Исследователь стволовых клеток из Майнца Бенедикт Бернингер в одной из своих статей иронически предположил, что стволовые клетки, очевидно, просто не слышали об определении, которое мы им дали.

[29] От англ. Green fluorescent protein (GFP).

[30] Например, европейский проект The Blue Brain Project по компьютерному моделированию головного мозга человека. См. https://bluebrain.epfl.ch/