Мозг под микроскопом: как стареют наши клетки и что с этим делать?

Человеческий мозг — удивительный и сложный орган, благодаря которому мы можем думать, чувствовать, творить и познавать мир. Но, к сожалению, с возрастом его работа постепенно ухудшается: получаемая извне информация забывается, нам труднее концентрироваться, да и новые знания усваиваются уже не так легко.

Группа учёных из Алленовского института (США) изучила, как меняются отдельные клетки с возрастом. Результаты их исследования, опубликованные в престижном научном журнале Nature, помогают понять старение мозга.

Путешествие в микромир мозга: как это было?

Современные технологии позволяют исследователям совершить «путешествие» в микромир мозга. Однако человеческий мозг в этом эксперименте не пострадал, а вся доля пасть под нож ради науки опять выпала на лабораторных крыс.

Для изучения старения мозга грызунов учёные использовали два передовых метода:

• Транскриптомный анализ единичных клеток (scRNA-seq): Этот метод позволяет определить, какие гены активны в каждой отдельной клетке. В рамках этого исследования было проанализировано около 1.2 миллиона клеток из разных отделов мозга молодых и старых мышей.

• Пространственная транскриптомика: Учёные использовали этот метод, чтобы подтвердить результаты scRNA-seq и понять, где именно в мозге находятся клетки с изменённой активностью генов. Например, в этом исследовании использовали технологию Molecular Cartography platform (Resolve Biosciences).

Благодаря этим методам учёные смогли увидеть, что старение — это не просто общий упадок сил, а сложный процесс, который затрагивает разные типы клеток мозга по-разному.

Клетки-стражи мозга: кто они и почему так важны?

Особое внимание исследователей привлекли клетки, расположенные в области третьего желудочка гипоталамуса. Для простоты понимания, почему был интересен именно этот участок мозга, представьте гипоталамус как центр управления полётами, который координирует работу всего организма. А третий желудочек — это канал связи, через который этот центр управления получает информацию и отдаёт приказы. Так вот, клетки, выстилающие этот канал, играют ключевую роль в поддержании связи.

Среди них есть танициты — клетки, которые «стоят на страже» и контролируют, какие вещества из крови и спинномозговой жидкости могут попасть в гипоталамус. Танициты регулируют транспорт гормонов, питательных веществ и других молекул, участвуют в нейрогенезе (образовании новых нервных клеток) и ангиогенезе (образовании новых сосудов), а также реагируют на воспаление.

Исследование показало, что у старых мышей в таницитах происходят изменения, которые могут нарушать эту барьерную функцию. Например, в них повышается экспрессия гена Csmd1, который связан с развитием болезни Паркинсона и нарушениями в иммунной системе.

Другие важные клетки — эпендимальные. Они выстилают все желудочки мозга и обеспечивают циркуляцию спинномозговой жидкости. Учёные обнаружили, что у старых мышей в этих клетках снижается экспрессия гена Ccnd2, который необходим для нормального деления клеток, а значит, и для обновления клеточного состава. Также в них было обнаружено множество других изменений, указывающих на воспаление и ухудшение работы.

И, наконец, в области третьего желудочка находятся нейроны, которые вырабатывают гормоны и нейропептиды. Они регулируют наше пищевое поведение, уровень стресса, сон и бодрствование, а также многие другие важные функции. Например, нейроны, экспрессирующие AgRP и NPY, стимулируют аппетит, а нейроны, экспрессирующие POMC, наоборот, подавляют его. Другие нейроны в этой области вырабатывают гормон CRH, который играет ключевую роль в реакции на стресс, или лептин, регулирующий чувство насыщения.

Исследователи обнаружили, что именно в этих клетках, окружающих третий желудочек, происходят наиболее значительные изменения при старении. Так, изменения в экспрессии генов Grm8, Grik1, Gabra5 в нейронах, контролирующих аппетит, могут приводить к возрастным изменениям в пищевом поведении.

Гены и молекулярные пути при старении

Как мы уже говорили, учёные обнаружили, что с возрастом активность многих генов меняется. Причём в разных типах клеток эти изменения могут быть разными.

Вот некоторые важные гены, затронутые при старении:

Но страдают и молекулярные механики:

• Воспаление: Во многих типах клеток, особенно в микроглии (клетки-защитники мозга), наблюдается повышение активности генов, связанных с воспалением. Хроническое воспаление в мозге — это один из ключевых факторов, способствующих развитию возрастных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и Паркинсона.

• Нарушение синаптической передачи: В нейронах снижается активность генов, необходимых для нормальной передачи нервных импульсов между клетками. Это может приводить к ухудшению памяти, внимания и других когнитивных функций.

• Изменения в метаболизме: Например, в олигодендроцитах (клетки, обеспечивающие электроизоляцию нейронов) снижается экспрессия генов, участвующих в синтезе липидов, что может приводить к нарушению миелинизации и ухудшению когнитивных функций.

• Нарушения в работе протеостаза: в клетках накапливаются повреждённые белки из-за сбоев в системе контроля качества белка.

Что всё это значит для нас?

Исследование, проведённое учёными из Алленовского института, — это важный шаг на пути к пониманию механизмов старения мозга. Он поможет разработать новые методы диагностики возрастных заболеваний. Например, измеряя активность определённых генов в клетках мозга, можно будет выявлять людей из группы риска на ранних стадиях.

Зная, какие гены и белки меняют свою активность с возрастом, можно разработать препараты, которые будут корректировать эти изменения. Например, можно создать лекарства, нацеленные на ген Csmd1 в таницитах, чтобы предотвратить развитие болезни Паркинсона, или препараты, стимулирующие экспрессию гена Ccnd2 в эпендимальных клетках, чтобы способствовать нейрогенезу.

Учитывая, что старение мозга — это сложный процесс, который затрагивает разные типы клеток по-разному, важно разрабатывать индивидуальные стратегии лечения для каждого пациента, сталкивающегося с возрастными изменениями или заболеваниями, ухудщаюащего функционирование мозга.

Старение мозга — неизбежный процесс, но это не значит, что мы должны опускать руки. Благодаря современным технологиям мы можем заглянуть внутрь мозга и увидеть, как меняются отдельные клетки с возрастом. Эти знания открывают новые возможности для борьбы с возрастными заболеваниями и улучшения качества жизни в пожилом возрасте. И кто знает, может быть, в будущем мы сможем не только замедлить старение мозга, но и научимся его омолаживать.

Оригинал исследования лежит тут.