Нервные клетки в мозге общаются через синапсы — крошечные «переходники», передающие сигналы. У млекопитающих, включая человека, доминируют химические синапсы. Они работают с помощью нейромедиаторов — молекул вроде дофамина или серотонина. Но есть и другой тип связи — электрический. В таких синапсах сигналы передают белки-коннексины, формирующие прямые каналы между нейронами.
Электрические синапсы быстрее химических, но у млекопитающих они встречаются реже и в основном в отделах, отвечающих за базовые функции — например, синхронизацию дыхания. Однако многие психические расстройства, от тревожности до обсессивно-компульсивного расстройства (ОКР), связаны со сбоями именно в химической передаче сигналов. Ученые десятилетиями пытались понять: можно ли создать альтернативные пути коммуникации между нейронами, чтобы обойти «поломки»? Например, заменить или дополнить эти связи искусственными электрическими синапсами.
Первый успех пришел в 2014году, когда группа исследователей встроила искусственные электрические синапсы в нервную систему круглых червей Caenorhabditis elegans. Но их мозг состоит всего из 302 нейронов. Повторить это у млекопитающих с их миллионами клеток казалось невозможным. До сегодняшнего дня.
Ученые создали «мини-мозг», практически сравнимый с мозгом эмбриона на 40-й день развития
Команда нейробиологов из США под руководством Кафуи Дзирасы (Kafui Dzirasa) из Дьюкского университета решила бросить вызов природе. У них получилось создать «обходные пути» для сломанных химических синапсов в мозге мышей, которые часто связаны с психическими расстройствами. За основу ученые взяли коннексины из мозга белого американского лаврака (Morone americana) — рыбы, чьи белки 34.7 и 35 идеально подходят для передачи электрических сигналов. Эти коннексины привлекли ученых своей способностью формировать двусторонние каналы.
Чтобы определить, куда именно внедрять белки, ученые провели масштабный эксперимент. Они вживили мышам десятки микроэлектродов толщиной с волос, записывая активность мозга в реальном времени. Грызунов помещали в стрессовые ситуации: заставляли взаимодействовать с агрессивными сородичами или исследовать незнакомые территории. Так удалось выявить нейроны в префронтальной коре, которые активировались при тревоге и социальном стрессе.
Следующий шаг — доставка генов, кодирующих коннексины, в нужные нейроны. Для этого использовали безвредные вирусы, которые вводили прямо в мозг. Через несколько недель искусственные электрические синапсы начали работать, изменяя передачу сигналов в микросхемах префронтальной коры.
Результаты удивили даже скептиков. Мыши с модифицированными синапсами стали чаще исследовать новые объекты и охотнее взаимодействовали с сородичами.
Как изучение мозга младенцев изменило представление ученых о сознании
Во втором эксперименте ученые сосредоточились на предотвращении психических расстройств. Они выбрали нейронную цепь, связывающую префронтальную кору с таламусом — областью, отвечающей за реакцию на стресс. У обычных мышей сильный стресс вызывает «замирание» — аналог панической атаки у людей. Но грызуны с искусственными синапсами сохраняли активность даже в критических ситуациях.
Самый впечатляющий результат касался мышей, генетически предрасположенных к навязчивому поведению, напоминающим ОКР. Без вмешательства они начинали чрезмерно умываться, что приводило к язвам на морде. После введения коннексинов две трети грызунов избежали повреждений, а их «ритуалы» сократились на 40%.
Несмотря на успехи, до клинических испытаний на людях далеко. Во-первых, коннексины рыбы Morone americana могут вызвать иммунную реакцию. Во-вторых, непредсказуемо, как мозг адаптируется к новым связям. Нейроны могут создать обходные пути, сводя на нет эффект.
Ученые оживили ткани мозга мыши после недели глубокой заморозки
Дзираса предлагает решать эти проблемы через адресную доставку. Вирусы с генами можно вводить в кровь, а для преодоления гематоэнцефалического барьера использовать фокусированный ультразвук. Ученый уверен: если метод докажет безопасность, он станет прорывом в лечении депрессии, шизофрении и ОКР.
Эксперименты с электрическими синапсами открыли новую эру в нейроинженерии. Хотя редактирование мозга человека пока остается футуристическим сценарием, первые шаги уже сделаны. Возможно, через десятилетия психические расстройства будут лечить не таблетками, а точечной «перепрошивкой» нейронных цепей. Но путь к этому потребует не только научных прорывов, но и четких этических рамок.
Результаты научной работы опубликованы в двух статьях (1,2) на сайте бесплатного электронного архива препринтов по биологии bioRxiv.org.