Продемонстрировать самообновление клеток в адгезивной культуре несколько сложнее, зато можно совершенно отчетливо показать, что они дифференцируются и превращаются в клетки различных типов (мультипотентность). Тем не менее Палмер и Гейдж именно таким образом подтвердили, что в гиппокампе взрослых, для начала крыс, есть стволовые клетки.
Некоторое время эти два метода культивирования стволовых клеток – в сферах и в клеточном слое – соперничали. Разразилась дискуссия, похожая на детские ссоры на почве того, что лучше: Mercedes или BMW, ручки Geha или Pelikan, футбольный клуб «Шальке 04» (или теперь уже «Боруссия») или «Бавария» и так далее. Сейчас можно наблюдать мирное сосуществование и даже смешанные формы этих методик. Исследователь стволовых клеток Клив Свендсен назвал эти два типа клеточных культур версиями нейрональных стволовых клеток для ПК и Apple: действуют они примерно одинаково, но не вполне совместимы друг с другом. Тут не хватает только своей системы Linux. У этих двух методов культивирования совершенно разные свойства, и оба они дают лишь приблизительную картину. Ни один из них не идеален. Оба остаются моделями. Но модели очень полезны, особенно если использовать их в сочетании друг с другом. Они незаменимы, когда нужно подтвердить свойства стволовых клеток.
Тем временем удалось продемонстрировать эти клеточные свойства и в самом мозге, что несравнимо сложнее. Аналогично методу БДУ можно инфицировать клетки вирусом, который поражает их только при делении (так называемым ретровирусом). Ученые используют непатогенный вирус такого рода, в геноме которого есть «репортер» – зеленый флуоресцентный белок (сокращенно ЗФБ)[29]. Этот белок можно заставить светиться под микроскопом. Таким образом удается непосредственно наблюдать инфицированные клетки. Геном вируса встраивается в геном клетки хозяина и передается потомкам при делении. В результате дочерние клетки тоже светятся зеленым. Дочерние и материнские клетки образуют клон. Вводя вирус экономно, чтобы инфицировать лишь совсем немногие стволовые клетки, потом можно исследовать этот клон весь целиком и анализировать в нем различные клеточные типы. Если среди них опять есть стволовые клетки, это говорит о самообновлении, если встречаются дифференцированные дочерние клетки разных видов – о мультипотентности. В теории звучит незамысловато, но на самом деле это сложнейшая техническая задача. Как бы то ни было, этот подвиг показывает, что в мозге взрослых действительно присутствуют полноценные стволовые клетки.
Нервные клетки
Нервные клетки принадлежат к числу самых сложных клеток с наиболее узкой специализацией. Их функция, прочно связанная с их совершенно особенной и весьма асимметричной формой (здесь говорят, что клетка поляризована, поскольку ее полюса очень сильно различаются), практически исключает способность к делению. По крайней мере, распространено такое мнение. Как мы уже говорили, когда нейроны в результате внутренних нарушений или неверных внешних сигналов пытаются запустить неправильную программу и все же вступить в клеточное деление, это оказывается несовместимо с остальными их качествами. Именно по этой причине они гибнут. Поскольку это происходит при нейродегенеративных заболеваниях, ученые предположили, что клетки предпринимают попытку деления, чтобы таким образом все же обеспечить регенерацию. Верно ли это, неизвестно. Точно можно сказать одно: нет никаких признаков того, что нейроны могут успешно делиться. А мозг не регенерирует (или почти не регенерирует).
Нервные клетки специализируются на обработке информации. Они принимают сигналы и передают их дальше, и сумма входящих сигналов, а также их распределение во времени, определяет, окажет ли нейрон возбуждающее (или, в зависимости от его типа, тормозящее) действие на другие, следующие в цепочке нервные клетки. Этим они немного похожи на электродетали, которые производит человек, такие как реле или транзистор. Мозг состоит из миллиардов нейронов, организованных в сложнейшую сеть. Пока что мы пытаемся выяснить, какие закономерности действуют в этих сетях, и понимаем их лишь частично. Они образуют небольшие схемы и функциональные единицы, которые соединяются в более крупные модули и системы. Из них, в свою очередь, формируются центры и области, а те уже составляют часть вышестоящих функциональных систем и более крупных анатомических мозговых структур. К таким системам, например, относятся сенсорная система, направленная на обработку информации от органов чувств, или моторная система, которая инициирует движения и управляет ими. Примеры более крупных анатомических мозговых структур – это кора головного мозга, ствол мозга, мозжечок, спинной мозг и так далее.
По словам «модули», «системы», «центры» и «области» уже можно понять, какую беспомощность ощущали исследователи, когда им нужно было установить иерархию функциональных и структурных терминов. Сегодня мы уже не так беспомощны, и ученые предпринимают многочисленные попытки соединить собранную информацию на компьютере, чтобы смоделировать участок новой коры головного мозга во всей его сложности. Эта затея[30] остается большой авантюрой, и совершенно непонятно, сможет ли она когда-нибудь увенчаться успехом.
Невероятная сложность мозга, вообще говоря, по-прежнему должна внушать смирение. Даже его минимальная функциональная структурная единица, а именно нервная клетка, для нас все еще чрезмерно сложна. То, каким образом нейроны выполняют свои задачи и как из их согласованного взаимодействия получаются, с одной стороны, структурные, а с другой – функциональные схемы, модули, системы и все прочие сети (и почему это возможно), до сих пор во многом непонятно.
Отношения между клетками в гиппокампе, а значит, и зернистыми клетками зубчатой извилины, которые демонстрируют нейрогенез взрослых, еще относительно просты. Гиппокамп – «древняя» мозговая структура: в эволюции он возник сравнительно рано, прежде всего до неокортекса. Гиппокамп тоже составляет часть коры, но это «архи»-кортекс – старая кора с ее относительно простым строением: она состоит всего из трех клеточных слоев, тогда как неокортекс состоит из шести.
Зернистые клетки – это очень однородная группа нейронов с упорядоченными входами и выходами. Подробности мы обсудим в следующей главе. Но это тоже полноценные нервные клетки со всем причитающимся. Особенными их делает то, что организм способен образовывать новые клетки этого типа. А это невозможно без стволовых клеток.
Стволовые клетки и нейрогенез взрослых
Таким образом, стволовые клетки – это необходимое условие для нейрогенеза взрослых. В гиппокампе и в стенке мозгового желудочка можно найти специализированные популяции стволовых клеток, из которых на протяжении всей жизни формируются новые нейроны. В других местах в мозге могут содержаться подобные им клетки, которые ученые способны побудить к образованию новых нейронов в клеточной культуре вне тела. Но в центральной нервной системе млекопитающего такое может случиться только в двух зонах нейрогенеза. А у человека это, судя по всему, происходит только в гиппокампе.
Стволовые клетки, которые лежат в основе нейрогенеза взрослых, способны к самообновлению и мультипотентны, как им и подобает, но фактически их потенциал существенно ограничен. В клеточной культуре из них можно получить нейроны и глиальные клетки обеих больших подгрупп, а именно астроциты и олигодендроциты. В самом мозге стволовые клетки гиппокампа обычно вообще не производят олигодендроцитов. Из них формируются нейроны одного типа и, вероятно, два вида астроцитов.
Таким образом, их мультипотентность в этих условиях не слишком впечатляет. Но главное, что из способной к делению недифференцированной клетки образуются дифференцированные дочерние клетки. Делящиеся клетки формируют резервуар, который поддерживает сам себя (посредством деления) и таким образом на протяжении всей жизни или, по крайней мере, очень долгого времени обеспечивает возможность нейрогенеза.
Слово «резервуар» в этом контексте вызывает некоторые проблемы. Здесь нельзя представить себе наполненный чем-то бак. Скорее речь идет о чрезвычайно динамичной системе. Часть стволовых клеток находится в покое, возможно, на протяжении очень долгого времени, другие постоянно делятся, даже когда их дочерние клетки совершенно не нужны.
В целом количество стволовых клеток с возрастом уменьшается. При этом, чтобы окончательно запутать ситуацию, не исключено, что стволовые клетки обладают способностью напрямую, без промежуточного деления, превращаться в астроциты или нейроны. Это означало бы, что отличительное свойство стволовых клеток – их способность к делению – не обязательно связано со вторым их свойством. Кроме того, тогда стволовые клетки вполне могли бы, пусть даже в порядке исключения, самостоятельно продолжать дифференцировку. Исследователь стволовых клеток из Майнца Бенедикт Бернингер в одной из своих статей иронически предположил, что стволовые клетки, очевидно, просто не слышали об определении, которое мы им дали.
На примере стволовых клеток в мозге взрослых мы снова видим, что в науке у каждого правила есть множество исключений, а противоречащие друг другу высказывания часто оказываются верны одновременно. По-видимому, нейроны не в последнюю очередь неспособны делиться потому, что они поляризованы, но при этом исследователи с изумлением обнаружили, что стволовые клетки в гиппокампе и в стенках мозговых желудочков тоже имеют полярность. Таким образом, возможно, она не имеет решающего значения. А может быть, полярность стволовых клеток отличается от полярности нейронов. В любом случае у стволовой клетки в гиппокампе есть длинный отросток, который она выпускает в сплетение нервных волокон, тогда как ее основание (что-то вроде ноги) располагается на кровеносных сосудах слоя зернистых клеток. В стенках желудочков на первый взгляд все устроено наоборот. Там стволовые клетки вытянуты между желудочком и кровеносными сосудами, которые здесь лежат глубже. При делении, судя по всему, возникают две очень разные клетки. Дочерняя клетка некоторым образом отделяется от материнской стволовой клетки на уровне ее ядра. Это отчасти напоминает почкование дрожжей.
В асимметричном процессе деления для стволовых клеток нет ничего необычного, хотя здесь он особенно бросается в глаза. При самообновлении как минимум одна дочерняя клетка должна быть идентична материнской. Но лишь благодаря асимметрии при этом можно получать что-то, кроме дополнительных стволовых клеток. Поэтому асимметричное клеточное деление – их отличительный признак. Только таким образом они могут одновременно быть способны к самообновлению и мультипотентности.
В случае стволовых клеток гиппокампа скорее стоял вопрос о том, способны ли они также к симметричному самообновлению. При асимметричном делении доступный запас стволовых клеток не мог бы расти. Тогда его было бы невозможно подстроить под повышенные потребности или использовать, чтобы компенсировать возможные потери. Эта несколько академичная проблема оказалась не по зубам множеству исследователей. Но она очень важна и имеет совершенно практическое значение. С ней тесно связан другой вопрос: как нейрогенез взрослых меняется с возрастом. От фактических и потенциальных свойств деления зависит, насколько ярко в конечном итоге может быть выражена пластичность и можно ли поддерживать ее гибкость до конца жизни.
В 2012 году вышли две статьи: одну написали Хуан Энкинас и Григорий Ениколопов из лаборатории в Колд-Спринг-Харбор в штате Нью-Йорк, а другую – Майкл Бонагиди и Хундзэн Сун из Университета Джона Хопкинса в Балтиморе. Интересно, что авторы обеих работ приводят очень вескую аргументацию в пользу полностью противоречащих друг другу утверждений. В то время как результаты, полученные Энкинасом и его коллегами, можно назвать пессимистичной версией, поскольку они доказывали, что процесс деления регулируется очень жестко и постепенно приводит к израсходованию запаса стволовых клеток, Бонагиди и его сотрудники показали, что отдельные клетки по всей популяции сохраняют способность к делению, а значит, возможность приспосабливаться к потребностям может действовать на протяжении всей жизни, что внушает больший оптимизм. Последнее лучше согласуется с неоспоримым на сегодняшний день фактом, что нейрогенез взрослых по-прежнему сохраняется в старости, но крайне тщательный анализ, проведенный в первой статье, не позволяет просто списать ее со счетов. Пока что ситуация до конца не прояснилась; вероятно, разгадка кроется в том, что одна группа проводила анализ совокупной популяции стволовых клеток и ее поведения в течение некоторого времени, а другая прицельно анализировала отдельные клетки. Как мы знаем на примере групп и сообществ, которые образуют люди, поведение индивидуума совершенно не равнозначно поведению толпы. Однако в первую очередь исследователи в обоих случаях рассматривали статичную картину. Сложные оценки размеров популяции могли бы принести совершенно иной ответ, если бы в итоге внешнего воздействия большее количество отдельных клеток повело себя иначе, чем предсказывала первая модель в состоянии покоя. Но реакция на стимулы внешней среды – это как раз и есть отличительный признак пластичности, которая реализуется за счет нейрогенеза взрослых.