Электростимуляция запустила разные генные программы в клетках мозга

Ученые впервые проследили на живой ткани человеческого мозга, как электрическая стимуляция одновременно влияет на работу нейронных сетей и активность генов. Полученные данные могут помочь точнее настраивать нейромодуляцию, однако нового метода лечения исследование пока не предлагает.

Для экспериментов использовали участки височной коры, удаленные у нескольких пациентов во время нейрохирургических операций. Образцы сохраняли жизнеспособными в лаборатории в течение нескольких дней. Эта область находится в боковых отделах коры и участвует в работе памяти и других когнитивных процессов.

Исследователи поместили ткань на микроэлектродные матрицы. Одни электроды подавали импульсы, похожие на используемые при глубокой стимуляции мозга, другие одновременно регистрировали сигналы отдельных нейронов. После этого ученые выделяли клеточные ядра и анализировали активность генов в разных типах клеток.

Электрические импульсы изменили характер взаимодействия нейронов. После стимуляции клетки чаще активировались синхронно, а связи внутри функциональных ансамблей становились сильнее. Такие согласованно работающие группы считаются одним из элементов нейронных механизмов, обеспечивающих формирование и хранение воспоминаний. При этом эксперимент не проверял, улучшалась ли память пациентов.

Молекулярный анализ показал, что реакция мозга не ограничивается изменением электрической активности. Стимуляция запускала генные программы, связанные с активностью нейронов, передачей сигналов и работой синапсов. Ответ различался в зависимости от типа клеток и оказался наиболее выраженным в отдельных группах возбуждающих нейронов.

Собственные изменения обнаружили и в ненейронных клетках. В частности, на стимуляцию отреагировали астроциты, которые поддерживают работу нервной ткани, участвуют в обмене веществ и регулируют среду вокруг синапсов. Это указывает, что электрические импульсы воздействуют не только на нейроны, но и на более широкую клеточную систему мозга.

Лабораторные результаты сопоставили с образцами коры пациентов, которым электрическую стимуляцию проводили до удаления ткани. В двух группах выявили общие признаки клеточно-специфической активности генов. Такое совпадение показывает, что часть обнаруженных в лаборатории процессов может происходить и в живом мозге.

Глубокую стимуляцию мозга уже применяют при некоторых неврологических и психических расстройствах, включая болезнь Паркинсона и обсессивно-компульсивное расстройство. Возможность использовать ее при ухудшении памяти пока изучается. Авторы считают, что выявленные генные программы в перспективе помогут выбирать более точные параметры воздействия или сочетать стимуляцию с лекарственной терапией.

Работа не подтверждает эффективность такого подхода при деменции или других когнитивных нарушениях. Ученым еще предстоит выяснить последствия длительной стимуляции, характер взаимодействия активированных клеток с соседними участками ткани и реакцию глубоких структур мозга, образцы которых значительно сложнее получить у живых пациентов. Исследование опубликовано в Nature.

Читайте также: Физики создали временной кристалл для управления светом