Нейробиологи, интересующиеся тем, как работает мозг, естественно, сосредотачиваются на нейронах, клетках, которые могут передавать друг другу элементы чувств и мыслей с помощью электрических импульсов. Но в равной степени заслуживает изучения вещество, которое находится между ними — вязкое покрытие снаружи этих нейронов. Примерно эквивалентный хрящам в наших носах и суставах, этот материал цепляется, как рыболовная сеть, за некоторые наши нейроны, что и дало название перинейронные сети (ПНС). Они состоят из длинных цепочек молекул сахара, прикрепленных к белковому каркасу, и удерживают нейроны на месте, не позволяя им прорастать и создавать новые связи.
Учитывая эту способность, это малоизвестное нейронное покрытие дает ответы на некоторые из самых загадочных вопросов о мозге: почему молодой мозг так легко усваивает новую информацию? Почему так трудно забыть страшные воспоминания, сопровождающие посттравматическое стрессовое расстройство (ПТСР)? Почему так трудно бросить пить после зависимости от алкоголя? И согласно новые исследования от нейробиолога Аркадия Хуторского и его коллег из Университета Макгилла мы теперь знаем, что PNN также объясняют, почему боль может развиваться и сохраняться так долго после повреждения нерва.
Нейронная пластичность — это способность нейронных сетей изменяться в ответ на жизненный опыт или восстанавливаться после травмы головного мозга. Такие возможности для изменений без усилий известны как критические периоды, когда они возникают в начале жизни. Подумайте, как легко младенцы осваивают язык, но как трудно выучить иностранный язык во взрослом возрасте. В некотором смысле, это то, чего мы хотели бы: после того, как сложные нейронные сети, которые позволяют нам понимать наш родной язык, сформированы, важно, чтобы они были заблокированы, чтобы сети оставались относительно нетронутыми до конца нашей жизни.
Это означает, что после критического периода нейронные сети становятся устойчивыми к изменениям, и основной причиной этого являются PNN. Они формируются над нейронами и фиксируют проводку нейронной сети на месте в конце критического периода. Чаще всего это происходит в возрасте от 2 до 8 лет, но PNN также формируются на нейронах во взрослом возрасте в связи с поведением, которое трудно изменить, или при формировании долговременных воспоминаний. Если бы мы могли отсрочить закрытие критических периодов или каким-то образом возобновить их в более позднем возрасте, это восстановило бы юношескую нейронную пластичность, способствовало бы восстановлению после травм и устранило бы сложные неврологические расстройства, устойчивые к изменениям.
Недавние исследования показывают, что это действительно можно сделать, просто манипулируя PNN. Например, содержание животного в полной темноте замедляет развитие PNN на зрительных нейронах, намного дольше сохраняя критический период нейронной пластичности для исправления проблем со зрением. Химические агенты и генетические манипуляции также могут разрушать PNN и возобновлять критические периоды, и исследователи сделали это, чтобы заставить мышей забыть воспоминания, которые вызвали у них посттравматическое стрессовое расстройство (в их случае, воспоминания о поражении электрическим током сразу после того, как они услышали сигнал).
Также возможно стимулировать рост PNN. Это происходит, когда кто-то злоупотребляет алкоголем, что приводит к образованию этих сетей на нейронах, вовлеченных в зависимость. Считается, что покрытие защищает нейроны от химической токсичности алкоголя, но оно также блокирует мыслительный процесс, вызывающий непреодолимое желание выпить.
Хотя нейробиологи узнали об этих аспектах PNN за последние несколько десятилетий, влияние PNN на хроническую боль стало неожиданным недавним открытием. Эта работа, которая еще больше расширяет влияние сетей за пределы критических периодов, не только улучшает наше понимание фундаментальной науки о боли, но и дает нам лучшее представление о самих PNN.
Хроническая боль, сохраняющаяся долгое время после травмы, отражает изменения в нейронных цепях, которые бывает трудно преодолеть. Когда что-то болит, вовлекается все наше тело. Специализированные болевые нейроны по всему телу передают нервные импульсы в спинной мозг, откуда они передаются в головной мозг. Это означает, что спинной мозг играет главную роль в нашем ощущении боли; действительно, врачи часто справляются с болью при родах, вводя эпидуральную анестезию, которая включает введение анестетиков в пространство, окружающее поясничный отдел спинного мозга, блокируя нервные импульсы от достижения головного мозга.
А теперь представьте, если бы вместо подавления нейронной передачи в этот момент повреждение нерва сделало бы эти нейроны гиперчувствительными. Даже легкое прикосновение к пораженному участку вызывает шквал нейронных импульсов, которые проходят вверх по спинному мозгу, регистрируя сильную боль. Предыдущие исследования выявили несколько механизмов, которые могут вызывать такую гиперчувствительность, но никто не ожидал, что PNN будут задействованы.
Однако несколько лет назад Хуторский увидел документ, в котором сообщалось, что PNN покрывают определенные маленькие нейроны в области мозга, где передается информация о боли. Эти «ингибирующие интернейроны» образуют синапсы на болевых нейронах, подавляя их способность передавать болевые сигналы. Хуторский задался вопросом, могут ли PNN делать что-то подобное в критической точке передачи боли внутри спинного мозга, и попросил своего аспиранта Шеннона Тэнсли изучить это. «В то время ничего не было известно, — сказал Хуторский.
Тэнсли действительно обнаружил, что PNN заключают в себе определенные нейроны в спинном мозге, где они передают болевые сигналы в головной мозг. Нейроны имеют длинные аксоны («хвост», который посылает сигналы следующей клетке в очереди), которые направляют вверх по спинному мозгу к головному мозгу. У них также есть набор тормозных интернейронов, прикрепленных к ним через небольшие отверстия в PNN, и тормозные нейроны могут подавлять возбуждение длинных выступающих нейронов, сокращая сигнал, достигающий мозга, и притупляя ощущение боли. Тэнсли, к своему удивлению, обнаружила, что только эти тормозные нейроны в ретрансляционной точке спинного мозга были покрыты PNN.
Это открытие вдохновило группу Хуторского на проведение экспериментов на лабораторных мышах, чтобы определить, были ли эти сети каким-то образом связаны с хронической болью после повреждения периферического нерва. Они перерезали ветви нерва задней лапы мыши, известного как седалищный нерв, под общим наркозом. Это имитирует седалищные травмы у людей, которые, как известно, вызывают постоянную боль. Несколько дней спустя команда Хуторского измерила болевой порог мыши с помощью безвредных тестов, таких как определение того, насколько быстро она отпрянула от нагретой поверхности. Как и ожидалось, команда увидела резкое повышение болевой чувствительности мыши, но они также заметили, что PNN вокруг выступающих нейронов растворились. Подобно тому, как изменения в мозге в критические периоды влияют на PNN, резкие изменения после повреждения нерва у мышей модифицировали PNN в болевой цепи спинного мозга.
Затем команда выяснила, что вызывает разрушение сетей: микроглия, клетки головного и спинного мозга, которые инициируют восстановление после болезней и травм. Чтобы проверить связь между микроглией и болью, команда обратилась к мышам практически без микроглии (что стало возможным благодаря генной инженерии) и провела ту же операцию. У этих мышей PNN оставались интактными после операции на седалищном нерве, и, что примечательно, мыши не становились гиперчувствительными к болевым раздражителям. Чтобы подтвердить связь, команда использовала различные средства для растворения сетей, что повысило чувствительность мышей к боли.
Это доказывало, что PNN непосредственно подавляли болевую чувствительность. Измерив синаптическую передачу с помощью электродов, команда Хуторского даже выяснила, как она работает. Деградация PNN вызвала цепную реакцию, которая привела к усилению передачи сигналов от проецирующих нейронов, которые посылают болевые сигналы в мозг: когда микроглия, реагирующая на повреждение нерва, растворяла PNN, это ослабляло влияние тормозных нейронов, которые обычно подавляют возбуждение нейронов. проекционные нейроны головного мозга. Потеря их тормозных тормозов означала безудержное возбуждение нейронов и сильную боль.
Микроглия высвобождает много веществ, которые вызывают гиперчувствительность болевых нейронов после повреждения нерва, но их неожиданное действие на PNN имеет большое преимущество: специфичность. «Обычно перинейронные сети блокируют пластичность, а также защищают клетки», — сказал Хуторский. «Так почему же эти сети расположены только вокруг этих нейронов, передающих боль, а не вокруг других типов клеток [поблизости]?» Он подозревает, что это потому, что эта точка передачи боли в спинном мозге настолько важна, что эти нейроны и их связи нуждаются в дополнительной защите, чтобы их контроль над передачей боли был сильным и надежным. Только что-то столь серьезное, как нервная травма, может нарушить эту стабильность.
«Прелесть этого механизма в том, что он селективен в отношении определенных типов клеток», — сказал Хуторский. Вещества, выделяемые микроглией для усиления возбуждения нейронов и вызывающие боль после повреждения нервов, воздействуют на все типы клеток поблизости, но PNN окружают только эти нейроны именно в критических точках ретрансляции в спинном мозге.
Ведутся исследования, чтобы лучше понять этот новый механизм хронической боли. Если исследователи смогут разработать методы восстановления PNN на этих нейронах после повреждения, это может стать новым методом лечения хронической боли, что является насущной необходимостью, учитывая, что опиаты, нынешнее решение, со временем теряют свою эффективность и могут вызвать привыкание или привести к летальному исходу. передозировка.
То, что происходит внутри нейронов, увлекательно и важно для понимания, но нейронные сети формируются из отдельных нейронов, соединенных вместе, и здесь жизненно важен заброшенный хрящевой цемент в пространстве между ними.
