Эволюционно древняя часть мозга, контролирующая дыхание и сердечный ритм, также регулирует работу иммунной системы — это открытие, сделанное экспертами по вкусу, касающееся оси «мозг-тело». Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Новое исследование выявило цепь в стволе мозга мыши, которая усиливает и ослабляет воспаление для борьбы с патогенами и другими внешними факторами.
Введение
В прошлом месяце исследователи обнаружили в стволе мозга клетки, регулирующие воспаление во всем организме. В ответ на травму эти нервные клетки не только распознают воспалительные молекулы, но и регулируют их уровень в крови, чтобы предотвратить поражение здоровых тканей инфекциями. Это открытие добавляет контроль иммунной системы к основным функциям ствола мозга, в список которых также входят контроль частоты сердечных сокращений, дыхания и вкусовых ощущений, и предлагает новые потенциальные цели для лечения воспалительных заболеваний, таких как артрит и воспалительные заболевания кишечника.
Во время интенсивной тренировки или ответственного экзамена мозг может уловить скачок сердечного ритма и помочь восстановить нормальный ритм. Кроме того, мозг может помочь стабилизировать артериальное давление, запуская химические сигналы, расширяющие или сужающие кровеносные сосуды. Такие процессы часто остаются незамеченными, но они иллюстрируют фундаментальную концепцию физиологии, известную как гомеостаз — способность организмов поддерживать бесперебойную и стабильную работу внутренних систем в меняющихся условиях.
В статье, опубликованной 1 мая в журнале Nature, исследователи описывают, как гомеостатический контроль распространяется даже на разрастание клеток и тканей, составляющих нашу иммунную систему.
Команда применила продуманный генетический подход к исследованию мышей, чтобы выявить клетки в стволе мозга, которые регулируют иммунные реакции на патогены и другие внешние факторы. Эти нейроны действуют как «регулятор громкости», удерживая воспалительные реакции животных в физиологическом диапазоне, пояснил автор статьи Хао Цзинь, нейроиммунолог из Национального института аллергии и инфекционных заболеваний.
Это открытие может стать неожиданностью для иммунологов, которые полагают, что сила иммунного ответа определяется собственным набором регуляторных механизмов иммунной системы, заявил иммунобиолог Руслан Меджитов из Йельского университета, не принимавший участия в исследовании. «Мы никогда не предполагали, что будет что-то ещё, что нам потребуется дополнительный контроль. Но, очевидно, мы это делаем», — сказал он. «Именно это и показала эта работа: существуют области ствола мозга, предназначенные для этого контроля».
Возможно, для этого открытия потребовалось изменить точку зрения. Новое исследование было проведено не в традиционной иммунологической лаборатории, а в лаборатории, специализирующейся на изучении вкуса.
Вкус к гомеостазу
Насколько он помнит, чилийский нейробиолог Чарльз Цукер всегда был очарован чувствами. После изучения специализированных светочувствительных клеток в глазах плодовых мушек, он заинтересовался вкусовой системой млекопитающих. Более 25 лет он изучал, как организмы различают сладкий, кислый и другие вкусы, и как они используют эти сигналы для управления своим поведением.
По словам Цукера, профессора биохимии, молекулярной биофизики и нейробиологии Колумбийского университета, некоторые из этих моделей поведения запрограммированы на определённый уровень. Когда сладкий вкус «воздействует на мозг, он понимает, что это хорошо. Когда он получает сигнал о горьком вкусе, он понимает, что это плохо», — сказал он. Эти сигналы «запускают предопределённые действия и модели поведения», например, желание потянуться за вторым куском торта или выплюнуть гнилой фрукт. В 2000-х годах Цукер и его коллеги клонировали гены рецепторов, распознающих сладкий, горький, умами, кислый и солёный вкусы, чтобы понять, как эта мудрость реализуется на молекулярном уровне.
В то время Джин заканчивал докторскую диссертацию в Национальном университете Сингапура, изучая развитие иммунных клеток у зебры и размышляя о переходе к более сложной системе для следующего этапа своей карьеры. В 2011 году он присоединился к лаборатории Цукера, чтобы изучать мозг.
В 2020 году коллеги Цзинь опубликовали знаменательную работу, доказавшую неожиданную связь между стволом мозга и организмом. Они вывели мышь без рецепторов сахара. Это животное не могло отличить обычную воду от подслащенной; оно пило одинаково из обеих бутылок. Этого и следовало ожидать. Однако в той же клетке через 48 часов подслащенная вода исчезла, а обычная осталась нетронутой.
Что произошло? Они обнаружили, что предпочтение животного сахару опосредовано не исключительно вкусовой системой. Скорее, его тяга к сахару возникла из нейронного пути, который начинался в кишечнике и распространялся в мозг. Хотя мышь не чувствовала вкуса воды, клетки кишечника ощущали сахар и посылали сигналы по блуждающему нерву — магистрали, соединяющей тело с мозгом, — которые научили животное хотеть больше. Эти сигналы, идущие от кишечника к мозгу, активировали группу нервных клеток в стволе мозга.
«Хотя мыши не получили немедленной вкусовой реакции, они «узнали, что в продукте есть что-то, что заставляет их чувствовать себя хорошо, — и это именно то, чего они хотят», — сказал Цукер.
На протяжении многих лет учёные использовали достижения молекулярных методов для уточнения деталей некоторых цепей блуждающего нерва, контролирующих ключевые функции организма. Исследования, проведённые под руководством Стивена Либерлеса, специалиста по клеточной биологии из Гарвардской медицинской школы, предполагают, что блуждающий нерв содержит несколько десятков типов сенсорных нейронов. Один из них измеряет объём воздуха в лёгких и активирует мышцы для выдоха. Другой регистрирует изменения артериального давления. Другие ощущают растяжение желудка во время еды и вызывают чувство сытости. «Мозг получает этот головокружительный набор стимулов и должен рассортировать все эти входящие сигналы, чтобы обеспечить надлежащий контроль физиологии», — сказал Либерлес.
Подобные исследования способствовали «трансформации наших представлений о мозге», сказал Цукер. Исторически считавшийся центром памяти и эмоций, мозг может тратить гораздо меньше энергии на эти функции высшего порядка, чем на контроль за органами, физиологией и метаболизмом тела для поддержания гомеостаза. «Все в лаборатории начали думать об этом», — сказал он. «Насколько далеко простирается контроль мозга над биологией тела?»
Однако иммунная система не входила в их представление о гомеостазе — пока Джин не вернулся к своим корням.
Отслеживание иммунитета к мозгу
На первый взгляд, между нашими вкусовыми ощущениями и иммунной системой мало общего. Первое позволяет нам наслаждаться текстурами и вкусами блюд разных кухонь, а второе защищает нас от микробов. Но, по сути, обе системы представляют собой системы защиты от попадания в организм чужеродных веществ, сказал Джин: вкусовая система — это ворота для еды и питья, а иммунная система справляется с бактериями и вирусами.
Нейроиммунолог Хао Цзинь утверждает, что вполне логично, что нервные клетки, регулирующие иммунитет, расположены в той же части ствола мозга, что и те, которые регулируют вкус: обе системы представляют собой защитные системы от попадания в организм чужеродных веществ.
Исследования, проведённые несколько десятилетий назад, показали, что блуждающий нерв контролирует воспалительные реакции, что указывает на связь между телом и мозгом. Джин задался вопросом, можно ли использовать генетические подходы в мышиных моделях лаборатории Цукера для отслеживания воспалительных реакций в мозге. Эти методы позволяют учёным с высокой точностью воздействовать на нервные клетки, «чтобы мы могли не только идентифицировать, но и получать доступ к нейронам, реагирующим на воспаление, и манипулировать ими», — сказал Джин. «Мы можем изменять их активность, чтобы изучать их функции».
Он ввёл мышам вещество, имитирующее инфекцию, а затем просканировал их мозг, чтобы определить, какие области активировались. Любопытно, что многие из активированных нейронов находились в той же области ствола мозга, что и у мышей, не ощущавших вкуса сахара.
Он и его коллеги хотели выяснить, какие нейронные цепи мозга задействованы. В одном из экспериментов они перерезали блуждающий нерв и обнаружили, что без его сигнала нейроны ствола мозга оставались инертными, что демонстрировало центральную роль блуждающего нерва в этом иммунном контуре «мозг-тело». Затем они использовали генетические методы для регулирования активности нейронов ствола мозга. При снижении активности у мышей наблюдалась неконтролируемая воспалительная реакция с соответствующим повышением уровня провоспалительных молекул и снижением уровня противовоспалительных. Повышение активности клеток ствола мозга приводило к противоположному результату: уровень противовоспалительных молекул резко возрастал, в то время как уровень провоспалительных молекул резко падал, что подавляло воспаление.
По словам Либерлеса, эти результаты поднимают интригующие вопросы. Например: какие ещё клетки и нейронные цепи взаимодействуют с этими нейронами, регулируя иммунные реакции? Существуют ли в нервной системе дополнительные центральные регуляторы? По его словам, между мозгом и иммунной системой может существовать «множество каналов связи».
«Главный вопрос заключается в том, какие аспекты внутреннего состояния организма активно отслеживаются специализированными нейронными цепями», — написал Меджитов в электронном письме. «О некоторых из них мы знали уже давно (частота сердечных сокращений, артериальное давление, уровень кислорода в крови и т. д.). Но теперь мы узнаём, что воспалительное состояние и иммунитет также каким-то образом контролируются и активно контролируются мозгом».
Возможно, самая захватывающая часть открытия — это его применение в медицине. В заключительной серии экспериментов группа продемонстрировала, что у мышей активация вагально-стволовой системы может восстановить иммунный баланс и предотвратить воспалительные состояния, подобные язвенному колиту и сепсису. Это открывает новые потенциальные стратегии лечения таких заболеваний, как ревматоидный артрит, воспалительные заболевания кишечника, диабет 1 типа и другие воспалительные заболевания, сказал Цукер.
По словам Либерлеса, подобные механизмы, вероятно, существуют и у людей. У мышей и людей «общие схемы работы сенсорных систем на самом деле довольно схожи». Конечная цель — разработать способ управления этими иммунно-балансирующими контурами у людей, чтобы снизить воспаление в определённых органах или при определённых заболеваниях. «Это было бы мечтой, — сказал он, — и я думаю, что это возможно».
Источник: www.quantamagazine.org
