Песнь клетки. Медицинские исследования и новый человек - Сиддхартха Мукерджи

Выход глиальных клеток из тени в центр нейробиологической сцены отражает удивительное изменение в развитии клеточной биологии нервной системы. Несколько лет назад я отправился в Гарвард, чтобы посетить лабораторию Бет Стивенс, которая изучает клетки нейроглии уже более десяти лет. Подобно многим нейробиологам, Стивенс пришла в это направление через изучение нейронов. В 2004 году после защиты диссертации она начала работать в Стэнфордском университете, где изучала нейронные сети глаза.

Нервные связи между глазами и мозгом формируются у человека задолго до рождения23, и это позволяет ребенку видеть мир сразу при появлении на свет. Задолго до того, как открываются глаза, еще на ранних этапах развития зрительной системы, от сетчатки к мозгу пробегают волны спонтанной активности, как танцоры, репетирующие движения до начала представления. Эти волны определяют конфигурацию проводной сети мозга: создают будущие сети, усиливают и ослабляют связи между нейронами. (Нейробиолог Карла Шац, обнаружившая эти волны спонтанной активности, писала: “Клетки, которые вместе возбуждаются, вместе и сплетаются”24.) Эта “репетиция” в зародыше (спайка нейронов до начала функционирования глаз) играет важнейшую роль для работы зрительной системы. Мы представляем себе мир до того, как видим его в реальности.

На этом подготовительном этапе создается избыток синапсов (точек химической связи) между нервными клетками – только для того, чтобы исчезнуть на более поздних этапах. Для создания синапса у нейрона есть специализированные структуры на конце аксона, похожие на крохотные наросты; там хранятся химические вещества, с помощью которых передается сигнал соседнему нейрону. Считается, что синаптический прунинг (“обрезка” избыточных синапсов) заключается в удалении этих специализированных структур, приводящем к разрушению синаптической связи, что равноценно удалению или разрезанию паяного соединения между двумя проводами. Это очень странное явление: наш мозг создает избыток контактов, а затем его ликвидирует.

Причина разрушения синапсов остается загадкой, но считается, что это нужно для уточнения и усиления “правильных” синапсов и удаления слабых и ненужных. “Это подкрепляет давнее интуитивное представление, – рассказывал мне психиатр из Бостона25. – Секрет обучения заключается в систематическом удалении избытка. Мы растем главным образом за счет отмирания”. Мы устроены таким образом, чтобы не быть устроенными никаким конкретным образом, и эта анатомическая пластичность, вероятно, является ключом к пониманию пластичности нашего разума.

Но как осуществляется синаптический прунинг? Зимой 2004 года Бет Стивенс пришла в лабораторию нейробиолога Бена Барреса в Стэнфорде. “Когда я начала работать в лаборатории Бена, об удалении специфических синапсов было известно мало”, – рассказывала она мне. Стивенс и Баррес сосредоточили внимание на зрительных нейронах: глаз стал окном в мозг.

В 2007 году они объявили об удивительном открытии26. Они обнаружили, что за прунинг синаптических связей в зрительной системе отвечают глиальные клетки. Их статья, опубликованная в журнале Cell, вызвала огромный интерес, но также подняла волну новых вопросов.

Какие именно клетки нейроглии отвечают за прунинг? Каков механизм этого процесса? В следующем году Стивенс перешла на работу в детский госпиталь Бостона, где организовала собственную лабораторию. Когда я посетил ее морозным мартовским утром 2015 года, работа в лаборатории шла полным ходом. Студенты работали за микроскопами. Одна женщина сидела за лабораторным столом, сосредоточенно дробя фрагмент только что взятой биопсии человеческого мозга, чтобы получить отдельные клетки и вырастить их в питательной среде.

Стивенс удивительно подвижна: когда она говорит, ее руки и пальцы описывают круги, словно обрисовывая ^сформированные синапсы. “Вопросы, которые мы начали изучать в новой лаборатории, непосредственно следовали из тех вопросов, которыми мы занимались в Стэнфорде”, – рассказывала она27.

К 2012 году Стивенс и ее студенты создали экспериментальную модель для изучения синаптического прунинга и идентифицировали клетки, ответственные за это явление. Было известно, что специализированные клетки так называемой микроглии (паукообразные, со многими пальцевидными отростками) скапливаются в мозге, подбирая клеточные обломки, и их роль в удалении патогенов и клеточного мусора была открыта уже несколько десятилетий назад. Стивенс обнаружила, что они также скапливаются вокруг синапсов, которые должны быть уничтожены. Клетки микроглии просачиваются в синаптическую щель между нейронами и разделяют их. Они служат “вечными смотрителями” мозга, как было сказано в одной статье28.

Пожалуй, самой поразительной особенностью синаптического прунинга является то, что для удаления связей между нейронами используется иммунный механизм. Макрофаги иммунной системы поглощают (осуществляют фагоцитоз) патогены и обломки клеток. Клетки микроглии мозга используют аналогичные белки и процессы для маркировки подлежащих уничтожению синапсов, с той разницей, что они поглощают не патогенные организмы, а фрагменты нейронов, вовлеченные в синаптическую передачу. Это еще один удивительный пример перепрофилирования: те же белки и процессы, что используются для удаления патогенов из тела, здесь приспособлены для тонкой настройки связей между нейронами. В ходе эволюции микроглия научилась “поедать” фрагменты собственного мозга.

“Когда мы узнали об участии в процессе клеток микроглии, поднялся целый ряд вопросов, – рассказывала Стивенс. – Откуда клетки микроглии узнают, какие синапсы подлежат уничтожению? <… > Мы знаем, что синапсы конкурируют между собой – и выигрывает сильнейший. Но как слабые синапсы помечаются для удаления? В данный момент наша лаборатория работает над решением всех этих вопросов”.

Прунинг нейронных контактов под действием клеток глии стал областью активных исследований, и не только в лаборатории Стивенс. Последние эксперименты показывают, что нарушение глиального прунинга может быть связано с шизофренией: при этой болезни прунинг происходит неправильно29. Функции других клеток глии связывают с болезнью Альцгеймера, рассеянным склерозом и аутизмом. “Чем глубже мы заглядываем, тем больше находим”, – сказала Стивенс. Трудно назвать аспект нейробиологии, который не связан с клетками глии.

Я вышел из лаборатории Стивенс на обледенелые улицы Бостона, повторяя про себя строчки из стихотворения Кеннета Коха “Один поезд может скрыть другой”30:

Одна сестра в семье может затмевать другую,

Так что, ухаживая, следите за обеими. <… >

А в лаборатории

Одно открытие может затмевать другое,

Один вечер может скрывать другой, одна тень – множество теней.

Десятилетиями нейрон в такой степени олицетворял развитие клеточной биологии, что затмевал глиальные клетки. Но если вы хотите проникнуть в суть научной проблемы или что-то изобрести, стоит следить за всеми клетками, а не восхищаться какой-то одной. Глиальные клетки вышли из “множества теней”. Подобно тому как один из их подтипов оборачивает нейроны, они охватили оболочкой всю сферу нейробиологии. Это уже не ассистент знаменитости – это новая звезда в науке.

Весной 2017 года меня накрыла волна глубочайшей депрессии. Я намеренно использую слово “волна”: когда она меня настигла, потихоньку подбираясь на протяжении месяцев, я чувствовал себя так, словно тонул