Ученые установили двунаправленность работы астроцитов в ЦНС

Способность вспомогательных клеток нервной системы, астроцитов, при различных типах воздействия светом либо стимулировать прохождения нервных импульсов, либо препятствовать этому процессу установила международная команда исследователей, 29 декабря сообщает портал «Научная Россия» со ссылкой на пресс-службу Российского научного фонда.

Торможение нервного сигнала происходило тогда, когда искусственно встроенные в мембрану астроцита белки — ионные каналы, при освещении закачивали в клетку кальций. Повышение скорости и силы нервного импульса происходило в случае нахождения в астроцитах белков иного типа — рецепторов.

Данные, полученные в ходе исследования, выполненного командой ученых Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН (Москва), Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого и Техасского университета (США), будут полезны для проведения поведенческих экспериментов при изучении механизмов памяти и обучения.

Результаты исследования ученые представили в статье «Двунаправленная регуляция „звездными силами“: ионотропная оптическая стимуляция астроцитов подавляет синаптическую пластичность, метаботропная наносит ответный удар», опубликованной в журнале Hippocampus, а также в более ранней статье «Оптогенетическая активация астроцитов — влияние на функцию нейронной сети» в International Journal of Molecular Sciences.

Нервная система животных содержит различные типы клеток, при этом основными являются нейроны, которые передают нервный импульс. Имеющееся у них большое количество отростков через синапсы объединяет нейроны в единую сеть.

Синапсы состоят из пресинаптической и постсинаптической мембран между «передающим» и «воспринимающим» нейронами соответственно. Между мембранами существует определенное пространство.

На пресинаптической мембране выделяются особые молекулы и в момент их связи с рецепторами на постсинаптической мембране происходит запуск формирования и передачи нервного электрического импульса.

Также в нервной ткани есть глиальные «клетки-помощники», которые обеспечивают питание и нормальное функционирование нейронов, а также поддерживают постоянство среды вокруг них. К ним относятся и астроциты, регулирующие состав межклеточной жидкости и питание нейронов.

Астроциты могут влиять и на передачу нервного импульса. Их отростки, благодаря которым они получили свое название, контактируют с синапсами и выделяют в пространство около них специальные вещества — глиотрансмиттеры, которые и влияют на силу нервного импульса.

Количество глиотрансмиттеров определяется числом ионов кальция, которое содержит астроцит. Накопление кальция в астроците происходит двумя способами. Один из них заключается в том, что кальций из внеклеточной среды закачивают ионные каналы. Во втором случае поступление кальция в астроцит происходит из-за выброса кальция, запасенного в так называемых внутриклеточных депо.

Чтобы исследовать, как при возбуждении астроцитов источник кальция влияет на передачу нервного импульса, а также на активность генов в нейронах, ученые использовали срезы мозга мышей и крыс.

В астроциты этого среза методом генной инженерии они встроили белки, реагирующие на возбуждение светом определенных длин волн. Модификация привела к тому, что при освещении астроциты накапливали ионы кальция, поступающие либо из внеклеточного пространства, либо из внутриклеточного депо.

Однако в первом случае светочувствительные белки работали как ионные каналы, а во втором как рецепторы, запуская цепочку реакций для выхода кальция из депо.

Исследование установило, что стимуляция светочувствительных белков — ионных каналов, до 54% подавляла передачу нервного импульса у мышей и до 15% у крыс. В этом случае стимуляция светом и увеличение уровня кальция приводила к тому, что астроциты выделяли два «тормозящих» глиотрансмиттера — аденозинтрифосфат (АТФ) и гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК).

Одновременное воздействие электрического тока усиливало подавление, поскольку оно вызывало дополнительную выработку АТФ и ГАМК.

В случае астроцитов со светочувствительными белками-рецепторами, освещение активировало клетки этого типа и увеличивало почти на 62% силу нервного импульса между нейронами. В этом случае астроциты выбрасывали в пространство у синапсов исключительно ГАМК, без АТФ.

При этом в модифицированных клетках увеличилась также активность генов, ответственных за формирование долговременной памяти. Это говорит о том, что усиленная передача импульсов может сохраняться довольно долго.

Научный сотрудник Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, кандидат биологических наук Анастасия Бородинова пояснила:

«Использование разных светочувствительных белков позволило с помощью света регулировать внутриклеточные кальций-зависимые процессы в астроцитах и подобрать параметры, улучшающие или ухудшающие передачу импульсов между нейронами. Полученные данные позволят довольно тонко управлять активностью целых нейронных сетей при изучении мозга в норме и при патологии».

Команда продолжит исследовать взаимодействия между различными клетками нервной системы с тем, чтобы лучше понять принципы организации памяти и обучения в мозге.