Безмозглые эмбрионы предполагают, что биоэлектричество направляет рост.

Исследователи выдвигают версию о том, что задолго до начала функционирования нервной системы мозг посылает важнейшие биоэлектрические сигналы, направляющие рост эмбриональных тканей. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Крошечный эмбрион-головастик был похож на фасолину. Ему был всего один день, и у него ещё не было сердца. Исследователь в белом халате и перчатках, склонившийся над ним, сделал точный хирургический разрез в том месте, где должна была сформироваться голова. Через несколько мгновений мозг исчез, но эмбрион всё ещё был жив.

Эта короткая процедура вернула Селию Эррера-Ринкон, постдока в области нейробиологии из Научно-исследовательского центра имени Аллена при Университете Тафтса, в загородный дом в Испании, где она выросла, в горах недалеко от Мадрида. Когда ей было 11 лет, гуляя с собаками в лесу, она нашла змею, Vipera latastei. Она была прекрасна, но мертва. «Я поняла, что хочу увидеть, что находится внутри головы», — вспоминает она. Она провела свой первый «лабораторный тест», используя кухонные ножи и пинцет, и с тех пор ее завораживают многочисленные формы и эволюционные морфологические особенности мозга. Сейчас в ее коллекции около 1000 мозгов самых разных существ.

Однако на этот раз ее интересовал не сам мозг, а то, как африканская когтистая лягушка будет развиваться без него. Она и ее научный руководитель, Майкл Левин, инженер-программист, ставший биологом-исследователем развития, изучают, играют ли мозг и нервная система решающую роль в формировании моделей, определяющих форму и идентичность формирующихся органов, конечностей и других структур.

В течение последних 65 лет основное внимание в биологии развития уделялось ДНК как носителю биологической информации. Исследователи, как правило, исходили из предположения, что одних лишь закономерностей экспрессии генов достаточно для определения эмбрионального развития.

Однако для Левина это объяснение неудовлетворительно. «Откуда берется форма? Чем слон отличается от змеи?» — спросил он. ДНК может синтезировать белки внутри клеток, сказал он, но «в геноме нет ничего, что напрямую определяло бы анатомию». Для правильного развития, утверждает он, тканям необходимы пространственные сигналы, которые должны поступать из других источников в эмбрионе. По крайней мере, часть этих сигналов, считают он и его команда, имеет электрический характер.

В последние годы, работая с головастиками и другими простыми существами, лаборатория Левина накопила доказательства того, что эмбрион формируется под воздействием биоэлектрических сигналов, особенно тех, которые исходят из молодого мозга задолго до того, как он станет функциональным органом. Эти результаты, если их удастся воспроизвести на других организмах, могут изменить наше понимание роли электрических явлений и нервной системы в развитии, и, возможно, в более широком смысле в биологии.

«Открытия Левина поколеблют некоторые устоявшиеся представления в этой области», — сказала Суй Хуан, молекулярный биолог из Института системной биологии. Если работа Левина подтвердится, продолжила Хуан, «я думаю, многие биологи, изучающие развитие, будут потрясены, узнав, что формирование плана строения тела происходит не за счет локальной регуляции клеток… а централизованно координируется мозгом».

Биоэлектрическое воздействие на развитие

Испанский нейробиолог и лауреат Нобелевской премии Сантьяго Рамон-и-Кахаль однажды назвал мозг и нейроны — электрически активные клетки, которые обрабатывают и передают нервные сигналы, — «бабочками души». Мозг является центром обработки информации, памяти, принятия решений и поведения, и электричество играет важную роль во всех этих процессах.

Но биоэлектрическую сигнализацию использует не только мозг — ею пользуется весь организм. Во всех клеточных мембранах есть встроенные ионные каналы — белковые поры, которые служат путями для заряженных молекул, или ионов. Разница в количестве ионов внутри и снаружи клетки приводит к возникновению электрического градиента — потенциала покоя клетки. Изменение этого потенциала путем открытия или блокировки ионных каналов изменяет сигналы, передаваемые между клетками. Нейроны делают то же самое, но еще быстрее: для связи между собой они используют молекулы, называемые нейромедиаторами, которые высвобождаются в синапсах в ответ на скачки напряжения, и посылают сверхбыстрые электрические импульсы на большие расстояния вдоль своих аксонов, кодируя информацию в характере импульсов, для управления мышечной активностью.

Левин размышлял о взломе нейронных сетей с середины 1980-х годов, когда, будучи школьником в пригороде Бостона, писал программное обеспечение, чтобы заработать немного денег. Однажды, прогуливаясь с отцом по небольшому книжному магазину в Ванкувере на выставке Expo 86, он увидел книгу Роберта О. Беккера и Гэри Селдена под названием «Электрическое тело». Он узнал, что ученые исследовали биоэлектричество на протяжении веков, с тех пор как Луиджи Гальвани в 1780-х годах обнаружил, что нервы оживляются тем, что он назвал «животным электричеством».

Однако, продолжая изучать этот вопрос, Левин понял, что, хотя мозг и использует электричество для обработки информации, никто всерьез не исследует роль биоэлектричества в передаче информации о развитии организма. Разве не было бы здорово, подумал он, если бы мы могли понять, «как ткани обрабатывают информацию и о чем ткани «думали» до того, как у них развились нервная система и мозг?»

Он начал углубляться в изучение вопроса и в итоге получил докторскую степень по биологии в Гарвардском университете, специализируясь на морфогенезе — науке об изучении развития форм у живых организмов. Он работал в традициях таких ученых, как Эмиль дю Буа-Реймон, немецкий врач XIX века, открывший потенциал действия нервов. В 1930-х и 1940-х годах американские биологи Гарольд Берр и Элмер Лунд измеряли электрические свойства различных организмов во время их эмбрионального развития и изучали связь между биоэлектричеством и формами, которые принимают животные. Им не удалось доказать связь, но они двигались в правильном направлении, сказал Левин.

До того, как гены стали править миром

Работы Берра и Лунда проводились в период широкого интереса к эмбриологии. Даже английский математик Алан Тьюринг, известный расшифровкой кода «Энигма», был очарован эмбриологией. В 1952 году он опубликовал статью, в которой предположил, что такие узоры на теле, как пигментированные пятна и полосы зебры, возникают в результате химических реакций диффундирующих веществ, которые он назвал морфогенами.

Однако органические объяснения, такие как морфогены и биоэлектричество, недолго оставались в центре внимания. В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик опубликовали описание двойной спиральной структуры ДНК, и с тех пор «в центре внимания биологии развития находится ДНК как носитель биологической информации, при этом считается, что клетки следуют своим собственным внутренним генетическим программам, управляемым сигналами из окружающей среды и соседних клеток», — сказал Хуанг.

По словам Ричарда Нуччители, главного научного сотрудника Pulse Biosciences и бывшего профессора молекулярной биологии Калифорнийского университета в Дэвисе, обоснование заключалось в том, что «поскольку наследуется ДНК, информация, хранящаяся в генах, должна определять все необходимое для развития». Считалось, что ткани получают указания о том, как развиваться на локальном уровне, от соседних тканей, и каждый регион формирует свою структуру на основе информации, содержащейся в геномах его клеток.

Крайняя форма этой точки зрения — «объяснять всё, говоря: „Всё дело в генах“, или ДНК, и эта тенденция усиливается благодаря всё более мощным и доступным технологиям секвенирования ДНК», — сказал Хуанг. «Но нам нужно взглянуть на ситуацию шире: до того, как молекулярная биология навязала нам наше близорукое туннельное видение, биологи были гораздо более открыты к принципам на уровне организма».

По мнению Эрреры-Ринкон и других исследователей, ситуация, похоже, меняется. «Слишком упрощенно считать геном единственным источником биологической информации», — сказала она. Например, исследователи продолжают изучать морфогены как источник информации о развитии нервной системы. В ноябре прошлого года Левин и Крис Филдс, независимый ученый, работающий в области, где пересекаются биология, физика и вычислительная техника, опубликовали статью, в которой утверждалось, что цитоплазма клеток, цитоскелет, а также внутренние и внешние мембраны также кодируют важные данные о формировании структуры и служат системами наследования наряду с ДНК.

И, что особенно важно, биоэлектричество тоже пережило возрождение. В 1980-х и 90-х годах Нуччителли, вместе с покойным Лайонелом Джаффе из Морской биологической лаборатории, Колином Маккейгом из Абердинского университета и другими, использовали приложенные электрические поля, чтобы показать, что многие клетки чувствительны к биоэлектрическим сигналам и что электричество может вызывать регенерацию конечностей у нерегенеративных видов.

По словам Масаюки Ямаситы из Международного университета здравоохранения и благополучия в Японии, многие исследователи забывают, что каждая живая клетка, а не только нейроны, генерирует электрические потенциалы на клеточной мембране. «Этот электрический сигнал служит сигналом окружающей среды для межклеточной коммуникации, координируя поведение клеток во время морфогенеза и регенерации», — сказал он.

Однако никто толком не знал, почему и как работает эта биоэлектрическая сигнализация, сказал Левин, и большинство по-прежнему считают, что поток информации носит очень локальный характер. «В более ранних экспериментах приложенное электричество напрямую взаимодействует с чем-то внутри клеток, вызывая их ответную реакцию», — сказал он. Но с чем именно оно взаимодействует и как запускаются ответные реакции, оставалось загадкой.

Именно это побудило Левина и его коллег начать экспериментировать с потенциалом покоя клеток. Изменяя напряжение клеток у плоских червей, за последние несколько лет они создали червей с двумя головами или с хвостами в неожиданных местах. У головастиков они перепрограммировали идентичность больших групп клеток на уровне целых органов, создав лягушек с дополнительными ногами и превратив ткани кишечника в глаза — просто путем взлома локальной биоэлектрической активности, которая обеспечивает информацию для формирования рисунка.

Поскольку мозг и нервная система обладают высокой электрической активностью, исследователи также начали изучать их участие в передаче биоэлектрической информации на большие расстояния, влияющей на развитие. В 2015 году Левин, его научный сотрудник Вайбхав Пай и другие коллеги экспериментально показали, что биоэлектрические сигналы от организма формируют развитие и структуру мозга на самых ранних стадиях. Изменяя потенциал покоя в клетках головастиков на расстоянии от головы до кишечника, они, по-видимому, нарушали «план» развития мозга, заложенный организмом. В результате мозг головастиков становился меньше или даже отсутствовал вовсе, а мозговая ткань разрасталась там, где ей не следовало расти.

В отличие от предыдущих экспериментов с применением электричества, которые просто давали клеткам направленные сигналы, «в нашей работе мы знаем, что именно мы модифицировали — потенциал покоя — и знаем, как это запускает ответные реакции: изменяя то, как небольшие сигнальные молекулы входят в клетки и выходят из них», — сказал Левин. Правильный электрический потенциал позволяет нейротрансмиттерам входить и выходить через управляемые напряжением затворы (транспортеры) в мембране. Оказавшись внутри, они могут активировать специфические рецепторы и инициировать дальнейшую клеточную активность, позволяя исследователям перепрограммировать идентичность на уровне целых органов.

Эта работа также показала, что биоэлектричество действует на больших расстояниях, опосредованное нейромедиатором серотонином, сказал Левин. (Более поздние эксперименты также показали участие нейромедиатора бутирата.) Исследователи начали с изменения напряжения клеток вблизи мозга, но затем пошли все дальше и дальше, «потому что наши данные из предыдущих работ показали, что опухоли можно контролировать электрическими свойствами клеток, находящихся на очень большом расстоянии», — сказал он. «Мы показали, что клетки на расстоянии также имеют значение для развития мозга».

Затем Левин и его коллеги решили перевернуть эксперимент. Может ли мозг хранить, если не полный план строения, то хотя бы некоторую информацию о структуре остального тела, — спросил Левин, — и если да, то может ли нервная система распространять эту информацию биоэлектрическим путем на самых ранних стадиях развития организма? Он предложил Эррере-Ринкон приготовить скальпель.

Восполнение недостающего мозга

Головастики Xenopus laevis, лишенные мозга, которых изучал Эррера-Ринкон, росли, но всего за несколько дней у всех них развились характерные дефекты — и не только вблизи мозга, но и вплоть до самого кончика хвоста. Их мышечные волокна также стали короче, а нервная система, особенно периферические нервы, развивалась хаотично. Неудивительно, что аномалии нервной системы, нарушающие движение, могут влиять на развивающийся организм. Но, по словам Левина, изменения, наблюдаемые в их эксперименте, показали, что мозг помогает формировать развитие тела задолго до того, как нервная система полностью сформируется, и задолго до начала каких-либо движений.

Тот факт, что такие дефекты можно было обнаружить на столь ранних стадиях развития головастиков, был интригующим, сказал Гил Карвалью, нейробиолог из Университета Южной Калифорнии. «Интенсивный диалог между нервной системой и телом — это то, что мы, конечно, очень отчетливо видим после завершения развития», — сказал он. Однако новые данные «показывают, что это взаимодействие начинается с самого начала. Это окно в зарождение диалога между мозгом и телом, который так важен для большинства позвоночных, как мы их знаем, и это довольно прекрасно». Результаты также поднимают вопрос о том, могут ли эти нейромедиаторы действовать на расстоянии, добавил он, — диффундируя через внеклеточное пространство или переходя от клетки к клетке по принципу релейной передачи после того, как они были активированы изменениями напряжения в клетке.

Эррера-Ринкон и остальная часть команды на этом не остановились. Они хотели выяснить, можно ли «спасти» развивающийся организм от этих дефектов, используя биоэлектричество для имитации эффекта мозга. Они решили экспрессировать специфический ионный канал под названием HCN2, который действует по-разному в разных клетках, но чувствителен к их потенциалу покоя. Левин сравнивает эффект ионного канала с фильтром повышения резкости в программе для редактирования фотографий, поскольку «он может усиливать разницу напряжений между соседними тканями, что помогает поддерживать правильные границы. Он действительно усиливает способность эмбрионов устанавливать правильные границы для того, где должны располагаться ткани».

Чтобы заставить эмбрионы экспрессировать HCN2, исследователи ввели матричную РНК HCN2 в некоторые яйцеклетки лягушек всего через пару часов после оплодотворения. Днем позже они извлекли мозг эмбрионов, и в течение следующих нескольких дней клетки эмбриона приобрели новую электрическую активность благодаря HCN2 в своих мембранах.

Ученые обнаружили, что эта процедура избавила головастиков, лишенных мозга, от большинства обычных дефектов. Благодаря HCN2 создавалось впечатление, будто мозг все еще присутствует и управляет нормальным развитием организма. Левин сказал, что это удивительно, «увидеть, насколько сильно можно улучшить состояние, просто активировав этот канал». Он также добавил, что это первое четкое доказательство того, что мозг контролирует развитие эмбриона посредством биоэлектрических сигналов.

Как и в случае с предыдущими экспериментами Левина с биоэлектричеством и регенерацией, многие биологи и нейробиологи приветствовали полученные результаты, называя их «свежими» и «новыми». «Нельзя сказать, что это действительно шаг вперед, потому что эта работа отклоняется от проторенной дорожки», — сказал Хуан. Но одного эксперимента с мозгом головастиков недостаточно, добавил он, — крайне важно повторить эксперимент на других организмах, включая млекопитающих, чтобы результаты «считались прогрессом в этой области и имели общность». Тем не менее, результаты открывают «совершенно новую область исследований и новый образ мышления», сказал он.

Исследование Левина демонстрирует, что нервная система играет гораздо более важную роль в формировании организмов, чем считалось ранее, — заявил Мин Чжао, биолог из Калифорнийского университета в Дэвисе и эксперт по биомедицинскому применению и молекулярной биофизике воздействия электрического поля на живые ткани. Несмотря на ранее полученные экспериментальные и клинические данные, «эта статья — первая, убедительно демонстрирующая, что это происходит и в развивающемся эмбрионе».

«Результаты исследований лаборатории Майка открывают новые горизонты, демонстрируя, что электрические сигналы из центральной нервной системы формируют раннее развитие», — сказал Оливье Сориани из Института биологии Вальроза CNRS. «Биоэлектрическую активность теперь можно рассматривать как новый тип входных сигналов, кодирующих формирование органов, что позволяет осуществлять широкомасштабный контроль из центральной нервной системы».

Карвалью отметил, что эта работа имеет очевидные последствия для лечения и профилактики пороков развития и врожденных дефектов, особенно с учетом того, что полученные результаты показывают, что вмешательство в функцию одного нейромедиатора иногда может быть достаточным для предотвращения проблем развития. «Это указывает на то, что терапевтический подход к этим дефектам может быть, по крайней мере в некоторых случаях, проще, чем предполагалось», — сказал он.

Левин предполагает, что в будущем нам, возможно, не потребуется детально контролировать множество событий клеточной сигнализации; вместо этого мы сможем манипулировать тем, как клетки взаимодействуют друг с другом электрическим путем, и позволить им решать различные проблемы.

Еще один недавний эксперимент намекнул на то, насколько значимым может быть биоэлектрический сигнал развивающегося мозга. Эррера-Ринкон пропитывала эмбрионы лягушек обычными, обычно безвредными лекарствами, а затем удаляла у них мозг. У эмбрионов, подвергшихся воздействию лекарств и лишенных мозга, развились серьезные врожденные дефекты, такие как искривленные хвосты и спинной мозг. По словам Левина, эти результаты показывают, что мозг защищает развивающийся организм от лекарств, которые в противном случае могли бы быть опасными тератогенами (соединениями, вызывающими врожденные дефекты). «Раньше считалось, что каждое химическое вещество либо является тератогеном, либо нет», — сказал Левин. «Теперь мы знаем, что это зависит от того, как работает мозг».

Эти результаты впечатляют, но многие вопросы остаются, — сказал Адам Коэн, биофизик из Гарварда, изучающий биоэлектрическую сигнализацию в бактериях. — «По-прежнему неясно, как именно мозг влияет на формирование паттернов развития в нормальных условиях, то есть когда мозг цел». Чтобы получить ответы на эти вопросы, исследователям необходимо разработать более целенаправленные эксперименты; например, они могли бы подавлять активность определенных нейронов в мозге или блокировать высвобождение определенных нейромедиаторов во время развития.

Хотя работа Левина получает все большее признание, акцент, который он делает на роли электричества в развитии, далек от всеобщего признания. Эпигенетика и биоэлектричество важны, но важны и другие аспекты биологии, сказал Чжао. «Они работают вместе, чтобы создавать ту биологию, которую мы видим». Для изменения парадигмы необходимы дополнительные доказательства, добавил он. «Мы наблюдали удивительные и поразительные результаты в области биоэлектричества, но фундаментальные механизмы еще не до конца поняты. Я думаю, мы еще не достигли цели».

Но Нуччители говорит, что для многих биологов Левин на верном пути. Например, по его словам, успех Левина в стимулировании роста неправильно расположенных глаз у головастиков путем простого изменения потока ионов через локальные ткани «является удивительной демонстрацией способности биофизики контролировать формирование паттернов». Многочисленные цитирования более чем 300 работ Левина в научной литературе — более 10 000 раз почти в 8 000 статьях — также являются «отличным показателем того, что его работа имеет значение».

«С течением времени и усилиями других исследователей, продолжающих работу Левина, помогут его делу», — считает Дэвид Стокум, биолог-эмбриолог и почетный декан Индианского университета-Университета Пердью в Индианаполисе. «На мой взгляд, его идеи в конечном итоге окажутся верными и будут общеприняты как важная часть концептуальной основы биологии развития».

«Мы продемонстрировали принципиальную возможность этого процесса», — сказала Эррера-Ринкон, заканчивая подготовку очередной чашки Петри с эмбрионами, похожими на бобы. «Теперь мы работаем над пониманием лежащих в основе механизмов, особенно их значения: каково информационное содержание информации, специфичной для мозга, и какое морфогенетическое воздействие она оказывает?» Она смыла скальпель, сняла перчатки и лабораторный халат. «У меня в голове миллион экспериментов».

Данная статья была перепечатана на сайте Wired.com.

Источник: www.quantamagazine.org