Неврологи, цікавлячись тим, як працює мозок, природно, зосереджуються на нейронах, клітинах, які можуть передавати елементи почуттів і думки одна одній за допомогою електричних імпульсів. Але не менш заслуговує на дослідження речовина, яка знаходиться між ними — в’язке покриття на зовнішній стороні цих нейронів. Приблизно еквівалентно хрящу в наших носах і суглобах, речовина чіпляється, як рибальська сітка, за деякі наші нейрони, що надихає назву перинейрональних мереж (PNN). Вони складаються з довгих ланцюгів молекул цукру, прикріплених до білкової основи, і вони утримують нейрони на місці, не даючи їм проростати та створювати нові зв’язки.
Враховуючи цю здатність, це маловідоме нейронне покриття дає відповіді на деякі з найбільш загадкових запитань про мозок: чому молодий мозок так легко засвоює нову інформацію? Чому страшні спогади, які супроводжують посттравматичний стресовий розлад (ПТСР), так важко забути? Чому так важко кинути пити після алкогольної залежності? І відповідно до нові дослідження Від невролога Аркадія Хуторського та його колег з Університету Макгілла тепер ми знаємо, що PNN також пояснюють, чому біль може розвиватися та зберігатися так довго після травми нерва.
Нейронна пластичність — це здатність нейронних мереж змінюватися у відповідь на життєвий досвід або відновлюватися після травми мозку. Такі можливості для легких змін відомі як критичні періоди, коли вони виникають на ранньому етапі життя. Подумайте, як легко діти сприймають мову, але як важко вивчити іноземну мову дорослим. У певному сенсі, це те, чого ми хотіли б: після формування складних нейронних мереж, які дозволяють нам розуміти нашу рідну мову, важливо, щоб вони були заблоковані, щоб мережі залишалися відносно непорушеними до кінця нашого життя.
Це означає, що після критичного періоду нейронні мережі стають стійкими до змін, і PNN є головною причиною цього. Вони формуються на нейронах і фіксують проводку нейронної мережі на місці в кінці критичного періоду. Найчастіше це трапляється у віці від 2 до 8 років, але PNN також формуються на нейронах у дорослому віці у зв’язку з поведінкою, яку важко подолати, або під час формування довготривалої пам’яті. Якби ми могли відстрочити закриття критичних періодів або якось знову відкрити їх пізніше в житті, це відновило б юнацьку нервову пластичність, сприяло відновленню після травми та скасовувало важкі неврологічні розлади, які стійкі до змін.
Останні дослідження показують, що це справді можна зробити, просто маніпулюючи PNN. Наприклад, утримання тварини в повній темряві уповільнює розвиток PNN на зорових нейронах, утримуючи критичний період нейронної пластичності для виправлення проблем із зором набагато довше. Хімічні агенти та генетичні маніпуляції також можуть погіршити PNN і знову відкрити критичні періоди, і дослідники зробили це, щоб змусити мишей забути спогади, які спричинили у них посттравматичний стресовий розлад (у їхньому випадку спогади про удар електричним струмом, застосований відразу після того, як вони почули сигнал).
Також можна стимулювати ріст PNN. Це трапляється, коли хтось надмірно вживає алкоголь, що призводить до формування цих сіток на нейронах, залучених до залежності. Вважається, що покриття захищає нейрони від хімічної токсичності алкоголю, але воно також блокує процес мислення, який викликає непереборне бажання випити.
Хоча нейробіологи дізналися про ці аспекти PNN протягом останніх кількох десятиліть, вплив PNN на хронічний біль став неочікуваним недавнім відкриттям. Ця робота, яка ще більше розширює вплив мереж за межі критичних періодів, не тільки покращує наше розуміння базової науки про біль, але й дає нам краще уявлення про самі PNN.
Хронічний біль, який зберігається тривалий час після травми, відображає зміну нейронних ланцюгів, яку важко подолати. Коли щось болить, все наше тіло включається. Спеціалізовані больові нейрони по всьому тілу передають нервові імпульси в спинний мозок, звідки вони передаються в мозок. Це означає, що спинний мозок відіграє головну роль у нашому відчутті болю; справді, лікарі часто справляються з болем під час пологів, вводячи епідуральну анестезію, яка передбачає введення анестетиків у простір, що оточує поперековий відділ спинного мозку, блокуючи нейронні імпульси від досягнення мозку.
А тепер уявіть, що замість пригнічення нейронної передачі на цьому етапі пошкодження нерва зробить ці нейрони гіперчутливими. Навіть м’який дотик до ураженої ділянки спричинив би шквал нейронних імпульсів, які б поширилися спинним мозком, реєструючись як інтенсивний біль. Попередні дослідження виявили кілька механізмів, які можуть викликати таку гіперсенсибілізацію, але ніхто не очікував, що PNN будуть залучені.
Однак кілька років тому Хуторський побачив статтю, в якій повідомлялося, що PNN покривають певні маленькі нейрони в області мозку, де передається інформація про біль. Ці «гальмівні інтернейрони» утворюють синапси на больових нейронах, пригнічуючи їх здатність передавати больові сигнали. Хуторський задумався, чи можуть PNN робити щось подібне в критичній точці реле болю всередині спинного мозку, і він попросив свого аспіранта Шеннона Тенслі вивчити це. «Тоді нічого не було відомо», — сказав Хуторський.
Тенслі дійсно виявив, що PNN охоплюють певні нейрони в спинному мозку, де він передає сигнали болю в мозок. Нейрони мають довгі аксони («хвіст», який посилає сигнали до наступної клітини в рядку), які спрямовують спинний мозок до головного мозку. Вони також мають набір гальмівних інтернейронів, прикріплених до них через невеликі отвори в PNN, і гальмівні нейрони можуть придушувати активацію довгих виступаючих нейронів, зменшуючи сигнал, що досягає мозку, і притупляючи відчуття болю. Тенслі, на свій подив, виявила, що лише ці гальмівні нейрони в точці передачі спинного мозку були вкриті PNN.
Це відкриття надихнуло команду Хоуторського провести експерименти на лабораторних мишах, щоб визначити, чи ці сітки якось залучені до хронічного болю після травми периферичного нерва. Вони розрізали гілки нерва задньої ноги миші, відомого як сідничний, під час перебування під загальним наркозом. Це імітує травми сідничного нерва у людей, які, як відомо, викликають постійний біль. Кілька днів потому команда Хуторського виміряла поріг болю миші за допомогою нешкідливих тестів, таких як час, як швидко вона відскочила від нагрітої поверхні. Як і очікувалося, команда побачила різке підвищення больової чутливості дисплея миші, але вони також помітили, що PNN навколо виступаючих нейронів розчинилися. Подібно до того, як зміни мозку в критичні періоди впливають на PNN, різкі зміни після пошкодження нерва у миші змінили PNN у її спинному мозку.
Потім команда з’ясувала, що спричиняє руйнування сіток: мікроглія, клітини головного та спинного мозку, які починають відновлення після хвороби та травми. Щоб перевірити зв’язок між мікроглією та болем, команда звернулася до мишей без мікроглії (що стало можливим завдяки генній інженерії) і виконала ту саму операцію. У цих мишей PNN залишилися недоторканими після операції на сідничному нерві, і, що примітно, миші не стали гіперчутливими до больових подразників. Щоб підтвердити зв'язок, команда використовувала різні засоби для розчинення сіток, які підвищували чутливість мишей до болю.
Це довело, що PNN безпосередньо пригнічували больову чутливість. Вимірюючи синаптичну передачу за допомогою електродів, команда Хуторського навіть з’ясувала, як це працює. Деградація PNN спричинила ланцюгову реакцію, яка призвела до посилення сигналів від проектуючих нейронів, які надсилають сигнали болю в мозок: коли мікроглія, реагуючи на пошкодження нерва, розчиняла PNN, це послаблювало вплив гальмівних нейронів, які зазвичай пригнічують активацію нейронів. нейрони проекції мозку. Втрата їхніх гальмівних гальм означала невгамовне нервове спрацьовування та сильний біль.
Мікроглія вивільняє багато речовин, які викликають підвищену чутливість нейронів болю після пошкодження нерва, але їхня несподівана дія на PNN має велику перевагу: специфічність. «Зазвичай перинейрональні мережі блокують пластичність, а також захищають клітини», — сказав Хуторський. «Тож чому ці мережі розташовані лише навколо цих нейронів реле болю, а не навколо інших типів клітин [поруч]?» Він підозрює, що через те, що ця точка ретрансляції болю в спинному мозку настільки важлива, ці нейрони та їхні зв’язки потребують додаткового захисту, щоб їхній контроль над передачею болю був сильним і надійним. Лише щось таке драматичне, як нейронна травма, може порушити цю стабільність.
«Краса цього механізму полягає в тому, що він вибірковий для конкретних типів клітин», — сказав Хуторський. Речовини, що вивільняються мікроглією, щоб посилити нервову активацію та спричинити біль після нейронної травми, впливають на всі типи клітин поблизу, але PNN охоплюють лише ці нейрони саме в критичній точці ретрансляції в спинному мозку.
Тривають дослідження, щоб краще зрозуміти цей новий механізм хронічного болю. Якщо дослідники зможуть розробити методи відновлення PNN на цих нейронах після травми, це може забезпечити нове лікування хронічного болю — нагальна потреба, враховуючи, що опіати, поточне рішення, з часом втрачають свою ефективність і можуть викликати звикання або призвести до летального результату. передозування.
Те, що відбувається всередині нейронів, є захоплюючим і важливим для розуміння, але нейронні мережі утворюються окремими нейронами, пов’язаними разом, і тут життєво важливий забутий хрящовий цемент у просторі між ними.
