Дослідники використовують передові технології та мишей для вивчення структури дофамінових нейронів, залежності та здатності мозку до відновлення.
У рекламному ролику кінця 1980-х, призначеному для боротьби з наркоманією, використовувалася пара яєць як метафора впливу наркотиків на мозок людини. Хоча дослідники вже давно зрозуміли, що існує зв’язок між зловживанням наркотиками та несприятливими змінами в мозку, лише тепер вони можуть детально вивчити зміни, які насправді відбуваються.
Використовуючи найсучасніші технології, дослідники з Чиказький університет і Аргонська національна лабораторія вперше детально описали специфічні зміни, які відбуваються в мозку мишей, які піддалися впливу кокаїн.
Дофамінові аксони (світло-блакитні) утворюють локальні набряки, які називаються варикозами, заповнені везикулами (жовтими сферами), які вивільняють дофамін. Ці набряки можуть утворювати точки прямого контакту з недофаміновими аксонами (червоними) і дуже нагадувати шипики, структури, які, як вважають, модулюють нейронну активність. Авторство: Зображення Грегга Вілденберга, Чиказький університет/Аргоннська національна лабораторія
Дослідження дає нове уявлення про функції ключових структур дофамінових нейронів, які беруть участь у багатьох функціях, від довільних рухів до поведінки. Результати перевернули сторінку на попередні питання щодо того, як передається дофамін, і відкрив нову главу про інші. Завдяки продовженню роботи дослідники сподіваються зрозуміти, як діють певні види залежності, і, можливо, розробити цілеспрямовані методи лікування.
«Це не схоже на те, що деякі молекули змінюються тут чи там. Схема перебудовується набагато раніше і з набагато меншим впливом препарату, ніж хтось міг подумати».
- Нараянан «Боббі» Кастурі, нейробіолог, Аргонн/Чикаго
У нещодавній статті, опублікованій в журналі eLife, дослідники описують, як вони будують на зростаючому полі коннектоміки, розробці дуже детальних і точних 3D-карт кожного нейрона в мозку та їх зв’язків.
Зі свого боку, команда вирішила чіткіше визначити процес, за допомогою якого дофамін передається через нейрони, оскільки вони не встановлюють звичайні фізичні зв’язки, коли сигнали передаються через синапси.
«Докази свідчать про те, що ці нейрони викидають дофамін у позаклітинний простір, активуючи сусідні нейрони, які мають рецептори, що сприймають дофамін», – говорить Грегг Вілденберг, провідний дослідник проекту. «Але Connectomics мало що може сказати про такі типи схем, тому що вони не створюють типових з’єднань, тому ми хотіли зайти в цю область, щоб побачити, як це насправді працює».
Які анатомічні зміни в ланцюгах дофаміну, якщо такі є, викликані наркотичними речовинами, такими як кокаїн?
Вілденберг є штатним науковцем у лабораторії Нараянана «Боббі» Кастурі, провідного дослідника нейронаук в Аргонні та доцента в Чикаго. Однією з їхніх мотивацій для проекту було розуміння причетності дофаміну до залежності. Які анатомічні зміни в ланцюгах дофаміну, якщо такі є, викликані наркотичними речовинами, такими як кокаїн?
Щоб отримати такий рівень деталізації, потрібно було використовувати великий тривимірний серійний електронний мікроскоп Аргонна. Потужний мікроскоп, здатний візуалізувати найдрібніші деталі мозку, дозволив більш детально розглянути дофамінові нейрони від мишей, чутливих до кокаїну, і контрольних тварин.
Використовуючи ресурси Чиказького університету, команда зібрала приблизно 2,000 зрізів товщиною 40 нанометрів (1 мм = 1 мільйон нм) із дофамінових відділів середнього та переднього мозку.
На основі цих зразків SEM створив колекцію двовимірних окремих зображень на загальну суму понад 2 терабайта даних. Вони були повторно зібрані в цифровому вигляді за допомогою кластера візуалізації Cooley в Argonne Leadership Computing Facility, користувацькому центрі Міністерства науки США.
Цей процес створює тривимірний об’єм, який дозволяє дослідникам ідентифікувати та простежити різні анатомічні особливості дофамінових нейронів, які до недавнього часу були проблемними.
«Стрибок віри в цей проект полягав у тому, що ми дійсно зможемо виявити анатомічні зміни, які можуть відбутися в будь-якій точці мозку», — сказав Кастурі, один із дослідників проекту. «Чи могли б ми взяти цей мікроскопічний шматочок мозку і знайти щось кількісно відмінне? Це також є однією з причин, чому ми обрали кокаїн, оскільки думали, що все, що відбувається, ймовірно, відбувається системно в мозку».
Результати визначили, що дофамінові нейрони не створюють фізичних зв’язків, за винятком деяких рідкісних випадків. А останнє може припустити, що дофамінові нейрони не ідентичні; що може існувати інший підклас, який схильний до встановлення більше фізичних зв'язків.
Коннектомний аналіз мозку мишей, яких лікували кокаїном, показує, що аксони дофаміну зазнають двох основних анатомічних ремоделювання: 1) аксони збільшують середню кількість гілок, які вони утворюють (зображення вгорі), 2) одночасно обрізаючи або видаляючи наявні аксони. Авторство: Зображення Грегга Вілденберга, Чиказький університет/Аргоннська національна лабораторія.
Загалом, вони виявили, що невеликі набряки або варикозні розширення — місця, що відповідають за вивільнення дофаміну — можна класифікувати на чотири різні типи, частково залежно від розміру, а також кількості нейромедіаторів, що несуть везикули, що містяться в кожній варикозній хворобі.
Вони виявили, що деякі з цих набряків були позбавлені будь-яких везикул, і деякі критики стверджували, що їх не можна визначити як правильні місця вивільнення. За їх словами, ці порожні варикозні розширення, ймовірно, вказують на те, що, крім наявності везикул, можуть бути й інші молекулярні компоненти, які визначають сайти вивільнення дофаміну.
«Ми припускаємо, що можливо, що ці порожні варикозні розширення мають усі молекулярні механізми для вивільнення дофаміну, але можливо, що дофамінові везикули активно переміщаються по аксону, і ми випадково вчасно зробили знімок, де деякі пусті», – сказав Вільденберг.
Частина дослідження кокаїну принесла дві основні зміни, обидві з яких зосереджені на аксонах, ультратонких кабелях, що виходять із нейронів. Як і дерева, аксони проростають вусики, які розгалужуються до інших аксонів для доставки сигналів. Після впливу на мишей кокаїну команда виявила збільшення цього розгалуження.
У абсолютно несподіваному результаті вони також виявили, що близько половини досліджуваних аксонів утворили величезні здуття, або цибулини, у різних місцях уздовж аксона. Найближча кореляція з цими цибулинами проявляється у тварин, що розвиваються, у місцях з’єднання нейронів з м’язом. У деяких випадках аксон втягується або обрізається, а потім набухає у велику цибулинну структуру.
Команда побачила ознаки як проростання, так і втягування, іноді в одному аксоні. За словами дослідників, ця знахідка є першою документацією такої поведінки в контексті моделі захворювання.
«Схема перебудовується набагато раніше і з набагато меншим впливом препарату, ніж хтось міг подумати».
- Нараянан «Боббі» Кастурі, вчений з Аргонні та асистент професора в Чикаго
«Тепер ми знаємо, що існує анатомічна основа для впливу ліків», – зазначив Кастурі. «Ці тварини отримали одну-дві порції кокаїну, і вже через два-три дні ми побачили широкі анатомічні зміни».
«Це не схоже на те, що деякі молекули змінюються тут чи там», — додав він. «Схема перебудовується набагато раніше і з набагато меншим впливом препарату, ніж хтось міг подумати».
Хоча дослідження допомогло з’ясувати питання форми, функції та динаміки дофамінової системи, воно також представляє важливі нові питання, пов’язані з повторним впливом і залежністю, а також лікуванням і відновленням.
Перш за все, чи може мозок подолати структурні перебудови, які вносять наркотичні речовини, засновані на його пластичності в інших областях? Результати цього дослідження та доступність потужних інструментів відкриття є ключем до відповідей на такі типи питань у майбутньому.
Посилання: «Мікування специфічного типу клітини та часткові коннектоми дофамінергічних ланцюгів виявляють несинаптичну комунікацію та великомасштабне аксональне ремоделювання після впливу кокаїну» Грегг Вільденберг, автор-кореспондент, Анастасія Сорокіна, Джессіка Коранда, Алексіс Монікал, Чад Хір, Марк Шеффілд, Сяосі Чжуан, Деніел МакГіхі та Боббі Кастурі, 29 грудня 2022 року, eLife.
DOI: 10.7554/eLife.71981
Іншими авторами в роботі були Анастасія Сорокіна, Джессіка Коранда, Алексіс Монікал і Чад Хір, а також асист. Проф. Марк Шеффілд, проф. Xiaoxi Zhuang та доц. Проф. Деніел МакГіхі.
Фінансування: McKnight Foundation, National Institutes of Health, National Science Foundation
