Эпилептические припадки возникают, когда нейроны головного мозга становятся чрезмерно активными. Тем не менее, новое исследование нейробиологов Массачусетского технологического института предполагает, что некоторые судороги могут возникать в ненейронных клетках, известных как глия, которые долгое время считались лишь вспомогательной ролью в работе мозга.
Изучая плодовых мушек, исследователи определили мутацию глиальных клеток, которая делает мухи более склонными к эпилептическим припадкам. Мутации в гене, который влияет на связь глиальных клеток с нейронами, по-видимому, делают нейроны более возбудимыми. Из-за этой возбудимости мухи с большей вероятностью схватятся в ответ на раздражители окружающей среды, такие как экстремальные температуры.
Это первый раз, когда кто-либо показал на живых животных, что мутации в глиальных клетках могут вызывать эпилептические припадки. Противодействие эффектам глиальной мутации может быть многообещающей новой стратегией для разработки методов лечения эпилепсии, – говорит Трой Литтлтон, профессор биологии Массачусетского технологического института и руководитель исследовательской группы.
"Этот сигнальный путь от глии к нейронам, вероятно, контролирует возбуждающие свойства нейронов, и если он гиперактивирован, нейроны активируются слишком много. Все, что могло бы предотвратить эту гиперактивность, могло быть потенциальным терапевтическим средством," говорит Литтлтон, который также является членом Института обучения и памяти Пикауэра Массачусетского технологического института.
Литтлтон и ведущий автор Ян Мелом, аспирант кафедры биологии Массачусетского технологического института, описали свои новые открытия в январе. 16-е онлайн-издание журнала Neuroscience.
Происхождение припадков
Глиальные клетки, составляющие примерно половину клеток головного мозга, выполняют множество вспомогательных функций, в том числе амортизируют нейроны и помогают им формировать связи друг с другом. Однако в последние годы нейробиологи обнаружили доказательства более важных функций, таких как помощь в коммуникации между нейронами.
Предыдущие исследования показали, что глиальные клетки становятся гиперактивными во время эпилептических припадков, но было неясно, была ли гиперактивность глиальных клеток причиной припадка или они просто реагировали на гиперактивность нейронов. По словам исследователей, новое исследование показывает, что глиальные клетки действительно вызывают приступ.
"Мы знаем, что уничтожаем ген, который экспрессируется только в этой популяции клеток, глии," Мелом говорит. "Однозначно, что приступ возникает из-за дефектов глии, а не нейронов."
Лаборатория Литтлтона использует дрозофил в качестве модельного организма для изучения развития нейронов и образования синапсов, связей между нейронами. Чтобы точно определить гены, участвующие в этих процессах, они мутируют геномы плодовых мух и проверяют полученные мухи на предмет аномальных признаков. Большинство мутаций происходит в нейронах, но в этом случае исследователи обнаружили, что мухи с глиальными мутациями в гене, который они назвали зидеко, вызвали приступы у мух при высоких температурах.
Дальнейшее изучение гена зидеко показало, что его нормальная функция – избавление от кальция внутри глии. Это помогает регулировать глиальные колебания уровня кальция, которые команда Массачусетского технологического института впервые наблюдала на глии мух.
Когда зидеко мутирует, колебания прекращаются, в результате чего кальций накапливается внутри глиальных клеток. Благодаря неизвестному процессу это вызывает гиперактивность соседних нейронов и повышает их вероятность схватывания в ответ на тепло, холод или тряску. "Понятно, что их нервная система чрезмерно возбудима ко многим раздражителям окружающей среды," Литтлтон говорит.
Это один из немногих примеров, которые ученые обнаружили, когда активность глии влияет на активацию нейронов.
"Нейроны по-прежнему несут основную информацию," Литтлтон говорит. "Они говорят. Но глия каким-то образом прислушивается и модулирует сигнал нейронов. Если этот вывод прерывается глией, это приводит к сбою всей системы."
Источники возбуждения
В настоящее время исследователи изучают связь между уровнем глиального кальция и возбудимостью нейронов. Одна из теорий заключается в том, что слишком много кальция производит поток нейротрансмиттеров или других факторов, которые обычно секретируются глией строго регулируемым образом. По словам Литтлтона, эта нерегулируемая секреция может вызвать чрезмерное возбуждение нейронов.
"Глии участвуют в разговоре, который ведут нейроны, и они могут модулировать это, высвобождая факторы, контролирующие активность," Литтлтон говорит. "Повышенный уровень кальция может создать ситуацию, когда глия больше не выделяет эти факторы регулируемым образом, но выделяет их все время."
По словам исследователей, в человеческом мозгу астроциты являются клетками, наиболее похожими на глиальные клетки плодовой мушки, наблюдаемые в этом исследовании. Эти клетки окружают клеточные тела нейронов, а также являются наиболее распространенным типом глиальных клеток в человеческом мозгу. Пока неизвестно, экспрессируют ли эти клетки одну из пяти человеческих версий гена зидеко.
Хотя необходимы дальнейшие исследования, результаты показывают, что предотвращение накопления кальция в глиальных клетках или астроцитах может снизить возбудимость нейронов и уменьшить склонность к заеданию в ответ на раздражители окружающей среды, по мнению исследователей. "До этого еще далеко, но исследования показывают, что снижение уровня глиального кальция эффективно снижает возбудимость," Литтлтон говорит.
Такие препараты могут также устранить побочные седативные эффекты, которые часто наблюдаются у современных лекарств от эпилепсии, – говорит Майкен Недергаард, профессор нейрохирургии в Университете Рочестера, который не принимал участия в исследовании.
"Вы можете представить себе новые лекарства, которые нацелены на глиальные клетки и не так сильно замедляют работу мозга," Недергаард говорит, добавляя, что это исследование является важным шагом вперед в понимании роли глиальных клеток в головном мозге.
В настоящее время исследователи Массачусетского технологического института ищут другие компоненты пути, который связывает уровни глиального кальция с гиперактивностью нейронов, что может привести к открытию других потенциальных мишеней для лекарств.