Более века ученые считали синапсы основным способом коммуникации между нейронами. Теперь команда Хёнбэ Квона описала принципиально иную систему связи. Исследователи проанализировали электронно-микроскопические снимки коры мозга мышей и человека и обнаружили тонкие трубочки длиной около 3 микрометров и толщиной в несколько сотен нанометров, соединяющие дендриты — отростки нейронов. Эти структуры назвали дендритными нанотрубками. Работа опубликована в журнале Science.
Нейроны связаны тайной сетью нанотрубок, которую не замечали больше века
Нейробиологи из Университета Джонса Хопкинса обнаружили в мозге млекопитающих новый тип связей между нейронами — сеть крошечных трубочек, которые могут передавать сигналы в обход традиционных синапсов. Эти структуры способны переносить не только электрические импульсы, но и белки, связанные с болезнью Альцгеймера.
Нейроны в мозге мыши (клеточные структуры синего и зеленого цвета, ядра — пурпурного) могут взаимодействовать друг с другом с помощью крошечных нанотрубок (тонкие зеленые структуры). Minhyeok Chang et al
Туннельные нанотрубки были впервые описаны в 2004 году немецкими учеными, которые наблюдали их образование между клетками почек крысы в лабораторной посуде. С тех пор такие структуры обнаружили в разных тканях и связали с развитием органов, восстановлением повреждений и даже распространением вирусов в организме. Недавние исследования показали, что нанотрубки формируются между нейронами и микроглией — иммунными клетками мозга. Однако найти подобные каналы непосредственно между нейронами было крайне сложно: их ветвящиеся отростки образуют плотные переплетения, а специфических молекулярных маркеров для идентификации нанотрубок не существует.
В отличие от туннельных нанотрубок, которые ранее находили между другими типами клеток, новые структуры оказались короче и имели закрытые концы, то есть трубки прямо входят в мембрану нейронов, и по ним может двигаться цитоплазма. Используя сверхвысокое разрешение микроскопии и машинное обучение, ученые подтвердили, что это действительно отдельный тип межклеточных соединений. Съемка в реальном времени показала, как нанотрубки формируются и распадаются за минуты или часы.
Еще один тип соединений между нейронами
Нейронные нанотрубки опосредуют межклеточный транспорт и болезни. Мы определили дендритные нанотрубки (ДНТ) как несинаптическую коммуникационную сеть в мозге. (А) Эти структуры образуют прямые каналы между нейронами, транспортируя такие вещества, как кальций и Aβ. (B) В мышиной модели AD изменения в этой сети связаны с патологическим накоплением Aβ, что позволяет предположить ранее не идентифицированный механизм распространения нейродегенеративной патологии.
Эксперименты на культурах клеток продемонстрировали передачу электрических сигналов через эти каналы: когда исследователи повышали концентрацию ионов кальция в одном нейроне, соседние клетки тоже регистрировали его всплеск. Особенно интересным оказалось то, что нанотрубки транспортируют молекулы амилоида-бета — белка, накопление которого связано с болезнью Альцгеймера. Введенный в один нейрон мыши, этот белок быстро появлялся в соседних клетках.
«Захватывающая особенность этого открытия в том, что это самая прямая форма клеточной коммуникации», — отмечает Михаэль Хенека, нейробиолог из Люксембургского университета, написавший сопроводительную статью к исследованию. Лари Уокер из Университета Эмори, не участвовавший в работе, добавляет: «Мы изучаем мозг уже очень давно, и время от времени появляются такие сюрпризы».
Впрочем, ученые призывают к осторожности в выводах о роли нанотрубок в заболеваниях. Пока неясно, насколько распространены эти структуры, как именно они формируются и что еще могут переносить. Хёнбэ Квон планирует исследовать, транспортируют ли трубочки тау-белок — еще один протеин, связанный с нейродегенерацией.