Аксолотли помогают раскрыть тайны эволюции и регенерации мозга

Аксолотль (Ambystoma mexicanum) — водная саламандра, известная своей способностью восстанавливать спинной мозг, сердце и конечности. Эти земноводные также легко создают новые нейроны на протяжении всей своей жизни. В 1964 году исследователи заметили, что взрослые аксолотли могут регенерировать части своего мозга, даже если большую часть полностью удалить. Но одно исследование показало, что регенерация мозга аксолотля имеет ограниченную способность восстанавливать исходную структуру ткани.

Как исследователи, изучающие регенерацию на клеточном уровне, исследователи из лаборатории Treutlein в ETH Zurich и лаборатории Tanaka в Институте молекулярной патологии в Вене задались вопросом, способны ли аксолотли регенерировать все различные типы клеток в их мозгу, включая связи, связывающие одну область мозга с другой.

Разные типы клеток имеют разные функции. Они могут специализироваться на определённых ролях, потому что каждый из них экспрессирует разные гены. Понимание того, какие типы клеток есть в мозге и что они делают, помогает прояснить общую картину того, как работает мозг. Это также позволяет исследователям проводить сравнения эволюции и пытаться найти биологические тенденции у разных видов.

Один из способов понять, какие клетки экспрессируют какие гены, — это использовать технику, называемую секвенированием одноклеточной РНК (scRNA-seq). Этот инструмент позволяет исследователям подсчитывать количество активных генов в каждой клетке конкретного образца. Это обеспечивает «моментальный снимок» действий, которые выполняла каждая ячейка, когда она была собрана. Этот инструмент сыграл важную роль в понимании типов клеток, существующих в мозге животных. Учёные использовали scRNA-seq у рыб, рептилий, мышей и даже у людей. Но одна важная часть головоломки эволюции мозга отсутствует: это амфибии.

Команда исследователей решила сосредоточиться на конечном мозге аксолотля. У людей конечный мозг является самым большим отделом мозга и содержит область, называемую неокортексом, которая играет ключевую роль в поведении и познании животных. На протяжении недавней эволюции неокортекс значительно увеличился в размерах по сравнению с другими областями мозга. Точно так же типы клеток, которые составляют конечный мозг в целом, очень разнообразны и со временем усложняются, что делает эту область интригующей областью для изучения.

Учёные использовали scRNA-seq для идентификации различных типов клеток, составляющих конечный мозг аксолотля, включая различные типы нейронов и клеток-предшественников, или клеток, которые могут делиться на большее количество самих себя или превращаться в другие типы клеток. Исследователи определили, какие гены активны, когда клетки-предшественники становятся нейронами, и обнаружили, что многие из них проходят через промежуточный тип клеток, называемый нейробластами, ранее неизвестный для аксолотлей, прежде чем стать зрелыми нейронами. Затем они проверили регенерацию аксолотлей, удалив одну часть их конечного мозга. Используя специализированный метод scRNA-seq, смогли захватить и секвенировать все новые клетки на разных стадиях регенерации, от одной до 12 недель после повреждения.

Учёные наблюдали, что регенерация мозга происходит в три основных этапа. Первая фаза начинается с быстрого увеличения количества клеток-предшественников, и небольшая часть этих клеток активирует ранозаживляющий процесс. На второй фазе клетки-предшественники начинают дифференцироваться в нейробласты. Наконец, на третьей фазе нейробласты дифференцируются в те же типы нейронов, которые изначально были утрачены. Удивительно, что разорванные нейронные связи между удаленной областью и другими областями мозга были восстановлены. Эта «перевязка» указывает на то, что регенерированная область также восстановила свою первоначальную функцию.

Добавление земноводных к эволюционной головоломке позволяет исследователям сделать вывод о том, как мозг и типы его клеток менялись с течением времени, а также о механизмах регенерации.

Когда исследователи сравнили данные по аксолотлям с данными других видов, то обнаружили, что клетки их конечного мозга обнаруживают сильное сходство с гиппокампом млекопитающих, областью мозга, участвующей в формировании памяти, и обонятельной корой, областью мозга, отвечающей за восприятие запахов. Было даже обнаружено некоторое сходство в одном типе клеток аксолотля с неокортексом, областью мозга, отвечающей за восприятие, мышление и пространственное мышление у людей. Это сходство указывает на то, что эти области мозга могут быть эволюционно законсервированы или оставаться сопоставимыми в ходе эволюции, и что неокортекс млекопитающих может иметь тип клеток-предков в конечном мозге амфибий.

Хотя данное исследование проливает свет на процесс регенерации мозга, в том числе на то, какие гены задействованы и как клетки в конечном итоге становятся нейронами, до сих пор неизвестно, какие внешние сигналы инициируют этот процесс. Более того, учёные не знают, доступны ли идентифицированные процессы животным, эволюционировавшим позже, например, мышам или людям. Но команда исследователей не решала загадку эволюции мозга в одиночку.

Лаборатория Tosches в Колумбийском университете исследовала разнообразие типов клеток у другого вида саламандр, Pleurodeles waltl, в то время как Лаборатория Fei Академии медицинских наук провинции Гуандун в Китае и сотрудники компании BGI, занимающейся науками о жизни, исследовали пространственное расположение типов клеток в переднем мозге аксолотля.

Выявление всех типов клеток в мозге аксолотля также помогает проложить путь для инновационных исследований в области регенеративной медицины. Мозг мышей и людей в значительной степени утратил способность восстанавливать или регенерировать себя. Медицинские вмешательства при тяжёлой травме головного мозга в настоящее время сосредоточены на лекарственной терапии и терапии стволовыми клетками для ускорения восстановления. Изучение генов и типов клеток, которые позволяют аксолотлям достигать почти идеальной регенерации, может стать ключом к улучшению лечения тяжёлых травм и раскрытию потенциала регенерации у людей.