Предполагается, что нейрогенез взрослых в обонятельном эпителии служит для замены поврежденных рецепторных нейронов. Согласно этой гипотезе, сами клетки уязвимы, потому что открыты к контакту с химическими сигналами окружающей среды. Точно так же более чуткие люди сильнее страдают от обиды. Чтобы постоянное взаимодействие с неизвестными веществами не вызывало проблем, лучше регулярно заменять клетки, пока они не испортились. Не секрет, что в подобных случаях природа беспощадна. Впрочем, мы поступаем так же, когда обслуживаем самолеты. Никто не ждет, когда расходная деталь износится настолько, чтобы отвалиться посреди Атлантического океана, для верности ее заменяют заранее, через регулярные промежутки времени. Неизвестно, действительно ли эта стратегия служит исчерпывающим объяснением высокому расходу нейронов в обонятельной слизистой оболочке, но идея убедительна и, скорее всего, хотя бы отчасти верна.
Каждая гломерула обонятельной луковицы соответствует своему отдельному «запаху», точнее, отвечает за отдельное доступное восприятию химическое соединение. Это означает, что отростки всех рецепторов, которые распознают одну и ту же молекулу, должны направляться в одну и ту же гломерулу. Аксоном называют отросток, который исходит из нейрона и переносит информацию к другим клеткам (чаще всего у каждой клетки один аксон). Похожие на антенну отростки, которые принимают сигнал и проводят его к телу клетки, называются дендриты. У рецепторных нейронов нет дендритов, но есть аксоны, которые должны достигать правильных гломерул. Как это работает, пока что во многом загадка. На тысячи запахов существует много тысяч рецепторных клеток, и опять же в каждый момент времени часть из них обновляется. Естественно, ни одна рецепторная клетка не «знает», где находится соответствующая ей гломерула. Собственно, в результате аксоны должны были бы прорастать друг через друга, создавая ужасный хаос. Но, очевидно, этого не происходит.
Нейрогенез взрослых в обонятельном эпителии протекает не в глубине мозга, а на поверхности. В принципе, его можно увидеть снаружи с помощью соответствующего оптического прибора – по крайней мере, отоларингологам это доступно. Для врача также не составит особых проблем взять небольшую пробу ткани со слизистой оболочки обонятельного эпителия, чтобы подробнее исследовать процесс нейрогенеза взрослых.
Изолировав такие клетки, удалось показать, что в обонятельной слизистой оболочке стволовые клетки действительно есть. Одно время это очень волновало ученых, поскольку казалось, что это более простой способ получить человеческие стволовые клетки. Однако, как мы уже говорили, к сожалению, они относятся к периферической, а не к центральной нервной системе. Они ведут себя совершенно иначе, чем их двоюродные сестры в черепе. Тем не менее, конечно, ученые спрашивали себя, в какой степени стволовые клетки периферической системы все же могут быть репрезентативны для клеток головного мозга. В конце концов, двоюродные сестры – довольно близкие родственники. Если бы они были достаточно похожи, благодаря доступности первых их можно было бы использовать как некое окно в развивающийся мозг, в том числе чтобы на ранних стадиях выявлять заболевания и патологии развития. Здесь были бы далеко идущие последствия, потому что тогда пациент мог бы без особых сложностей самостоятельно предоставить клеточную модель своего заболевания. Используя свойства стволовых клеток, можно было бы вырастить клеточную культуру собственных нейронов пациента. Затем по ним можно было бы исследовать болезнь и, возможно, даже разработать индивидуальное лечение.
Такова была теория. Большой фурор произвела попытка диагностировать шизофрению с помощью биопсии слизистой оболочки носа. Хотя сегодня это расстройство действительно считают неким нарушением развития мозга, данной аналогии недостаточно, чтобы его можно было исследовать таким косвенным способом. Развитие само по себе – уже достаточно сложная вещь. То его предполагаемое нарушение, которое лежит в основе шизофрении и о котором пока мало что понятно, должно быть еще гораздо сложнее. Так что не стоит возлагать слишком большие надежды на эту стратегию персонализированной медицины. С другой стороны, вполне возможно, что стволовые клетки слизистой оболочки носа будут полезны в исследованиях с менее амбициозными целями. В последнее время, впрочем, страсти вокруг них несколько улеглись, поскольку индукция плюрипотентных стволовых клеток обещает в этом плане быть значительно более эффективной (см. раздел «Небольшой экскурс: спор о стволовых клетках»).
К сожалению, в принципе, хотя у периферической и центральной нервных систем много общего, в первую очередь они демонстрируют фундаментальные различия. На ранних этапах они развиваются в большой степени независимо друг от друга из совершенно разных частей эмбриона, и только позже их нервные клетки вновь соединяются между собой. Можно привести аналогию из экономики: в любом концерне для главного офиса имеет решающее значение связь с торговыми представительствами. Но в каждой фирме знают, что представительство и центральный офис – это два разных мира, даже если они выросли из одной и той же бизнес-идеи.
Также очень интересны глиальные клетки этого отдела. Они отлично регенерируют и способны содействовать росту аксонов. Это вполне понятно из всего сказанного выше. Такие глиальные клетки пересаживали, чтобы стимулировать регенерацию (хотя и не нейрогенез взрослых) после травм спинного мозга. Проведя многообещающие исследования на животных, эту стратегию уже использовали на человеке. В последние годы широко освещался случай пациента Дарека Фидыки, первого из людей, которому достоверно помогла пересадка такого рода. Не то чтобы «достоверность» тут не вызывала никаких вопросов, поскольку этот единственный случай, конечно, сравнивать не с чем и нет никакой возможности оценить, каким было бы спонтанное развитие состояния. Мы не знаем, что происходит в месте пересадки. Пациенту совершенно все равно, но ученых останавливает это N=1 (размер выборки, равный 1). Не хотелось бы безосновательно давать надежду другим. Тем не менее этот случай вписывается в картину высокого уровня пластичности в обонятельной луковице. В данном случае даже у человека…
Новые нервные клетки для обонятельной луковицы
Нейрогенез взрослых в обонятельной луковице протекает в центральной нервной системе, после того как каналы связи от обонятельных клеток в слизистой оболочке достигнут внутренней части черепа через отверстия в верхней части носовой полости. При этом новые клетки заменяют или дополняют собой так называемые «интернейроны». «Интер-» означает «между», то есть это те нейроны, которые помещаются между другими.
В первый момент это кажется чем-то тривиальным, чем-то, что должно быть верно для всех нервных клеток в нейронной сети. Однако существует два больших класса нейронов. Первый – это те, из которых собственно строится сеть и которые, как правило, оказывают возбуждающее действие на следующие в цепочке клетки. Второй – это в основном тормозящие интернейроны, которые уточняют и модулируют действие сети. Например, типичная функция интернейрона состоит в том, чтобы обеспечивать после сигнала короткую паузу, благодаря которой удается различать отдельные сигналы между клетками. Такие чередования возбуждения и торможения очень сложны и лишь отчасти расшифрованы в немногих областях мозга. К числу последних принадлежит и обонятельная луковица, поскольку ее структура относительно проста. Но даже здесь есть как минимум семь или восемь различных типов интернейронов, которые обеспечивают деятельность сети.
В головном мозге все это совершенно невозможно объять. Чрезвычайно спорный гигантский исследовательский проект ЕС с миллиардным финансированием, The Human Brain Project («Человеческий мозг»), ставит перед собой амбициозную цель: смоделировать крошечный участок новой коры головного мозга и понять, как в этой сети обрабатываются данные. Задача колоссальна, и не в последнюю очередь потому, что неясно, сколько можно выделить типов нейронов и как они связаны между собой. С этой точки зрения, пожалуй, очень хорошо, что хотя бы нейрогенеза взрослых в новой коре нет.
Однако в обонятельной луковице новые интернейроны различных типов образуются в самых разных местах; возможно, с учетом постоянно изменяющихся связей с обонятельной слизистой оболочкой, таким образом можно поддерживать стабильные функциональные условия. Или это происходит в силу какой-то особой дополнительной функции, совершенно от этого независимой. Французский исследователь Пьер Мари Льедо полностью посвятил себя тому, чтобы прояснить эту функцию новых нейронов в обонятельной луковице. Например, он, как и другие ученые, установил, что новые нервные клетки помогают лучше различать похожие запахи.
Субвентрикулярная зона
Большинство исследователей нейрогенеза взрослых в обонятельном мозге на самом деле не так уж интересуются обонянием. Их занимает совершенно другой аспект.
На научном жаргоне обычно говорят вовсе не о нейрогенезе в обонятельной луковице, а о «SVZ» (несколько расплывчато). За этим сокращением стоит название «субвентрикулярная зона», а это не что иное, как место в стене мозгового желудочка, где размещаются стволовые клетки и происходит нейрогенез.
Артуро Альварес-Буйлья работал у Фернандо Ноттебома, но уже в начале 90-х годов переключился с канареек на мышей и стал самым терпеливым и дотошным исследователем строения мозговых желудочков у взрослых особей. Вместе со своим коллегой Карлосом Лоисом он обнаружил, что формирующиеся в субвентрикулярной зоне нейроны постоянным потоком тянутся в обонятельную луковицу и при этом пользуются совершенно особым способом перемещения. Их движение называют «цепной миграцией», потому что новые, еще незрелые клетки выстраиваются небольшими группками и постоянно используют друг друга в качестве направляющей структуры, как в чехарде.
Из полости мозгового желудочка, где протекает нейрогенез и которая во время развития эмбриона, конечно, выглядит еще несколько иначе, образуется вся кора головного мозга. Поэтому здесь нейрогенез взрослых – это продолжение процесса, который имел место в эмбриональном развитии. Здесь образуются не только новые нейроны, но и олигодендроциты – глиальные клетки, основная функция которых – создавать некий изолирующий слой и повышать пропускную способность нервных волокон. Сам по себе этот процесс во многом протекает независимо от нейрогенеза взрослых, но затрагивает ту же полость. Олигодендроциты тоже формируются на протяжении всей жизни. Пересечения этих двух процессов и возможность того, что у них одни и те же корни, сильно подогревают фантазию ученых. Что, если у клеток-предшественниц олигодендроцитов тоже есть потенциал для образования нейронов? К сожалению, пока что на это не похоже. Впрочем, это не должно умалять интереса к OPC (oligodendrocyte precursor cells – олигодендроцитным клеткам-предшественницам, как их называют ученые).
Альварес-Буйлья и его коллеги разобрали субвентрикулярную зону до основания, чтобы узнать, как устроена ее микроструктура. Они обнаружили, что клетки-предшественницы и другие клетки в стенке желудочка расположены в очень сложном порядке, который тем не менее при соответствующей окраске можно отлично видеть под микроскопом. При этом ученые установили, что в разных местах стенки желудочка формируются разные интернейроны обонятельной луковицы.
Споры о новых нейронах в коре головного мозга
С самого начала кто-нибудь постоянно говорил: нейрогенез в гиппокампе и обонятельной луковице – не может быть, чтобы это было все! Поиск других зон нейрогенеза начался на самых ранних этапах. Уже Джозеф Альтман предполагал, что в мозге млекопитающих есть еще одна зона нейрогенеза взрослых, и это зрительная кора. Но здесь долгое время не удавалось определить принадлежность клеток к нервным так же легко, как в гиппокампе. Когда в распоряжении исследователей появились более точные методы, предположение не подтвердилось. Однако эта идея по-прежнему не дает ученым покоя.