Новое исследование с использованием органоидов, или «мини-мозгов», показало, что резидентные иммунные клетки мозга, микроглия, играют решающую и, возможно, уникальную для человека роль в развитии мозга плода. Они высвобождают инсулиноподобный фактор роста 1 (ИФР-1), который запускает массовое увеличение числа нервных клеток, известных как ингибиторные интернейроны.
Ингибиторные интернейроны являются ключевым типом нервных клеток, составляя от 25% до 50% всех нейронов в коре головного мозга взрослого человека. Их основная функция — передача сигналов и контроль за активностью мозга путем высвобождения гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК). Являясь главным «тормозным» нейромедиатором мозга, ГАМК снижает общую активность, уравновешивая возбуждающие сигналы.
Кора головного мозга человека содержит более чем в два раза больше интернейронов по сравнению с корой мыши. Этот новооткрытый механизм, управляемый микроглией, вероятно, развился для удовлетворения значительно более высокой потребности в интернейронах в сложной человеческой коре, что потенциально способствовало формированию уникальных когнитивных способностей человека.
Работа, опубликованная 6 августа в журнале Nature (DOI: ` ), была проведена командой из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF). Среди авторов — научный сотрудник в области педиатрии Дианкун Ю и врач-ученый, специализирующийся на неонатологии и нейробиологии развития, доктор Сяньхуа Пяо.
Для изучения этого процесса ученые вырастили из стволовых клеток органоиды — миниатюрные трехмерные структуры, имитирующие развивающийся мозг человека. Модели воспроизводили временную структуру в мозге плода, из которой происходят кортикальные интернейроны. Эта структура появляется примерно на восьмой неделе беременности у людей и исчезает примерно через восемь месяцев после рождения.
Ключевым прорывом исследования стало успешное включение микроглии в модель органоидов, что ранее не удавалось. Традиционные животные модели были признаны неподходящими, поскольку обнаруженный механизм, по-видимому, является специфичным для человека. Предыдущие исследования на мышах связывали активацию иммунной системы матери во время беременности, например, из-за инфекции, с уменьшением количества интернейронов в коре головного мозга ее потомства.
В ходе эксперимента было установлено, что микроглия в органоидах является основным источником ИФР-1, который и стимулировал размножение интернейронов. Когда исследователи блокировали передачу сигналов этого фактора роста, резкое увеличение числа интернейронов прекращалось, что подтвердило причинно-следственную связь.
Подтверждением уникальности этого пути для человека стал контрольный эксперимент на мышиной модели. Удаление гена ИФР-1 в микроглии мышей не привело к каким-либо изменениям в количестве интернейронов. Этот результат убедительно доказывает, что данный механизм является эволюционной адаптацией, характерной для развития человеческого мозга.
Значимость этого открытия подчеркивается связью между нарушениями в работе интернейронов и такими неврологическими и психическими расстройствами, как эпилепсия, аутизм и шизофрения. Понимание фундаментальных процессов их формирования открывает новые перспективы для изучения патологий.
Несмотря на прорыв, модель органоидов имеет свои ограничения. Они не являются точными копиями человеческого мозга и наиболее эффективны для изучения очень ранних стадий развития, таких как пролиферация клеток, но менее точны для более поздних этапов. Кроме того, модели не способны воспроизвести сложную активность на уровне нейронных сетей целого мозга.
Изображение носит иллюстративный характер
Ингибиторные интернейроны являются ключевым типом нервных клеток, составляя от 25% до 50% всех нейронов в коре головного мозга взрослого человека. Их основная функция — передача сигналов и контроль за активностью мозга путем высвобождения гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК). Являясь главным «тормозным» нейромедиатором мозга, ГАМК снижает общую активность, уравновешивая возбуждающие сигналы.
Кора головного мозга человека содержит более чем в два раза больше интернейронов по сравнению с корой мыши. Этот новооткрытый механизм, управляемый микроглией, вероятно, развился для удовлетворения значительно более высокой потребности в интернейронах в сложной человеческой коре, что потенциально способствовало формированию уникальных когнитивных способностей человека.
Работа, опубликованная 6 августа в журнале Nature (DOI: ` ), была проведена командой из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF). Среди авторов — научный сотрудник в области педиатрии Дианкун Ю и врач-ученый, специализирующийся на неонатологии и нейробиологии развития, доктор Сяньхуа Пяо.
Для изучения этого процесса ученые вырастили из стволовых клеток органоиды — миниатюрные трехмерные структуры, имитирующие развивающийся мозг человека. Модели воспроизводили временную структуру в мозге плода, из которой происходят кортикальные интернейроны. Эта структура появляется примерно на восьмой неделе беременности у людей и исчезает примерно через восемь месяцев после рождения.
Ключевым прорывом исследования стало успешное включение микроглии в модель органоидов, что ранее не удавалось. Традиционные животные модели были признаны неподходящими, поскольку обнаруженный механизм, по-видимому, является специфичным для человека. Предыдущие исследования на мышах связывали активацию иммунной системы матери во время беременности, например, из-за инфекции, с уменьшением количества интернейронов в коре головного мозга ее потомства.
В ходе эксперимента было установлено, что микроглия в органоидах является основным источником ИФР-1, который и стимулировал размножение интернейронов. Когда исследователи блокировали передачу сигналов этого фактора роста, резкое увеличение числа интернейронов прекращалось, что подтвердило причинно-следственную связь.
Подтверждением уникальности этого пути для человека стал контрольный эксперимент на мышиной модели. Удаление гена ИФР-1 в микроглии мышей не привело к каким-либо изменениям в количестве интернейронов. Этот результат убедительно доказывает, что данный механизм является эволюционной адаптацией, характерной для развития человеческого мозга.
Значимость этого открытия подчеркивается связью между нарушениями в работе интернейронов и такими неврологическими и психическими расстройствами, как эпилепсия, аутизм и шизофрения. Понимание фундаментальных процессов их формирования открывает новые перспективы для изучения патологий.
Несмотря на прорыв, модель органоидов имеет свои ограничения. Они не являются точными копиями человеческого мозга и наиболее эффективны для изучения очень ранних стадий развития, таких как пролиферация клеток, но менее точны для более поздних этапов. Кроме того, модели не способны воспроизвести сложную активность на уровне нейронных сетей целого мозга.
